劉 樂

（三門核電有限公司，浙江 臺州 317112）

蒸汽發(fā)生器（SG）是核電廠的關(guān)鍵設(shè)備之一，AP1000蒸汽發(fā)生器是一個(gè)立式U形管蒸發(fā)器，傳熱管將熱量傳遞給蒸汽系統(tǒng)并把放射性污染物保留在一回路系統(tǒng)內(nèi)。蒸汽發(fā)生器在滿功率運(yùn)行、預(yù)期瞬態(tài)工況和自然循環(huán)工況下把熱量從反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)帶走。當(dāng)發(fā)生廠外交流電源喪失事故后，兩臺主泵全停，失去強(qiáng)迫循環(huán)時(shí)，就可以利用自然循環(huán)來帶走反應(yīng)堆內(nèi)的熱量（衰變熱和系統(tǒng)或部件的顯熱），避免堆芯發(fā)生偏離泡核沸騰（DNB），從而保護(hù)燃料元件包殼免遭損壞。文章通過研究AP1000 SG自然循環(huán)試驗(yàn)，驗(yàn)證SG自然循環(huán)功能能夠帶走堆芯衰變熱，保證堆芯的安全，評估電廠的設(shè)計(jì)功能是否能否達(dá)到預(yù)期效果，這對于論證AP1000設(shè)計(jì)的有效性和可靠性至關(guān)重要。

1 AP1000 SG自然循環(huán)試驗(yàn)簡介

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過SG自然循環(huán)冷卻堆芯是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCS）重要的縱深防御功能。事故工況下，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)通過自然循環(huán)（如圖1所示），將堆芯產(chǎn)生的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)，以避免非能動余熱排出熱交換器的啟動。反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)需要在核電廠首次臨界及低功率物理試驗(yàn)完成后，進(jìn)行蒸汽發(fā)生器自然循環(huán)試驗(yàn)，以驗(yàn)證堆芯衰變熱（用反應(yīng)堆功率模擬）能夠通過蒸汽發(fā)生器自然循環(huán)（主泵停運(yùn)）帶出。

1.2 試驗(yàn)方法

機(jī)組工況：試驗(yàn)在低功率物理試驗(yàn)完成后執(zhí)行，試驗(yàn)期間機(jī)組處于模式2。

試驗(yàn)內(nèi)容：提升反應(yīng)堆功率到大約3%RTP，主控室停運(yùn)所有主泵，自然循環(huán)開始建立。自然循環(huán)建立期間，同時(shí)保持功率穩(wěn)定在1%～3%RTP，調(diào)節(jié)蒸汽旁排設(shè)置壓力（目標(biāo)冷段溫度對應(yīng)的飽和壓力值）來維持RCS冷段溫度穩(wěn)定。

1.3 試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則

（1）在自然循環(huán)工況下測得壓力容器平均溫差（ΔT）等于或小于對應(yīng)堆芯功率下的設(shè)計(jì)預(yù)測限值，壓力容器溫差（試驗(yàn)）如表1所示。

圖1 蒸汽發(fā)生器自然循環(huán)示意圖

表1 功率與壓力容器溫差的對應(yīng)函數(shù)

（2）在自然循環(huán)穩(wěn)定工況下，過冷度裕量超過5.6℃。表1中的驗(yàn)收準(zhǔn)則是試驗(yàn)前根據(jù)電廠設(shè)計(jì)參數(shù)在不同的功率水平條件下采用安全分析方法計(jì)算預(yù)測值，計(jì)算時(shí)采用的初始和假設(shè)條件等可能與實(shí)際條件不同，因而在試驗(yàn)結(jié)束后，需根據(jù)試驗(yàn)條件，采用相同的分析方法，對驗(yàn)收準(zhǔn)則重新開展分析，以驗(yàn)證表1中的驗(yàn)收準(zhǔn)則的有效性。采用LOFTRAN程序（15.0.1版）重新開展驗(yàn)收準(zhǔn)則分析。程序模擬了中子動力學(xué)、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCS，包括自然循環(huán)）、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器和給水系統(tǒng)響應(yīng)等，計(jì)算各個(gè)相關(guān)參數(shù)，包括蒸汽發(fā)生器水位、穩(wěn)壓器水位、RCS平均溫度、RCS冷熱段溫度、RCS流量和SG壓力等。分析時(shí)采用的主要初始和假設(shè)條件如下：根據(jù)試驗(yàn)測量值設(shè)置試驗(yàn)的初始條件，比如RCS壓力、流量等；其他參數(shù)采用最新設(shè)計(jì)值。

根據(jù)上述條件，重新計(jì)算驗(yàn)收準(zhǔn)則可得到壓力容器溫差（驗(yàn)證），可以看到，根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際條件以及更新后的設(shè)計(jì)參數(shù)重新計(jì)算的結(jié)果與原驗(yàn)收準(zhǔn)則相當(dāng)且略偏?。ǜ鼑?yán)格），考慮根據(jù)新的驗(yàn)收準(zhǔn)則來分析判斷SG自然循環(huán)排熱能力是否滿足要求。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)過程分析及結(jié)果評價(jià)

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，核電廠在0s時(shí)，電廠條件處于穩(wěn)定狀態(tài)，且滿足試驗(yàn)初始條件（4臺主泵均以100%轉(zhuǎn)速運(yùn)行，穩(wěn)壓器壓力穩(wěn)定在15.4MPa附近，RCS平均溫度穩(wěn)定在292℃附近，穩(wěn)壓器水位穩(wěn)定在35%附近）。在175s時(shí)，操縱員根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程，手動停運(yùn)4臺主泵，RCS流量迅速下降，SG排熱能力下降導(dǎo)致RCS溫度上升，穩(wěn)壓器壓力和水位也同步上升。在停泵的同時(shí)，操縱員通過調(diào)節(jié)蒸汽排放系統(tǒng)的設(shè)置壓力，調(diào)節(jié)蒸汽排放系統(tǒng)的排放能力，使得RCS冷段溫度在初始值附近變化，SG壓力也在初始值附近變化，由于RCS喪失強(qiáng)迫流動，壓力容器進(jìn)出口段溫差增加。由于蒸汽排放系統(tǒng)間歇打開/關(guān)閉，為了維持SG水位，啟動給水流量波動變化，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)排熱能力也波動變化，因此一回路系統(tǒng)參數(shù)（溫度、壓力、穩(wěn)壓器水位等）也波動變化。在約1800s時(shí)，操縱員判斷RCS建立穩(wěn)定的自然循環(huán)流量，試驗(yàn)持續(xù)至約2400s。此后，操縱員根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程手動停堆，并將電廠維持在安全狀態(tài)。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，RCS穩(wěn)定自然循環(huán)流動期間（1800～2400s），壓力容器溫差平均值最大約20.45℃。RCS穩(wěn)定自然循環(huán)流動期間，核電廠功率約2.6977%RTP，根據(jù)表1，采用插值法推算該功率水平對應(yīng)的驗(yàn)收準(zhǔn)則值為20.69℃。因此，試驗(yàn)結(jié)果滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則的要求。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)期間RCS過冷度最小值為30.3℃。因此，試驗(yàn)結(jié)果滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則的要求。同時(shí)，對比驗(yàn)收準(zhǔn)則要求值（5.6℃）可以看出，安全裕量比較大，可有效保障機(jī)組的安全性。

2.2 LOFTRON程序分析評估

（1）分析方法和初始假設(shè)條件。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用事故分析程序（LOFTRAN程序 15.0.1版）對SG自然循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行整體模擬分析，分析時(shí)采用的主要初始和假設(shè)條件如下：①根據(jù)試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)，核電廠功率維持在約2.6977%RTP。②RCS壓力、溫度、流量等采用試驗(yàn)測量值。③穩(wěn)壓器初始水位取試驗(yàn)測量值。④蒸汽發(fā)生器初始水裝量取試驗(yàn)測量值。⑤穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)有效，且處于自動控制模式。⑥穩(wěn)壓器液位控制系統(tǒng)有效，且處于自動控制模式。⑦穩(wěn)壓器輔助噴淋有效。⑧啟動給水有效，用于維持SG水位。給水流量基于試驗(yàn)測量值簡化輸入。⑨蒸汽旁排有效，且處于壓力控制模式。

（2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)和程序分析結(jié)果比對。根據(jù)上述初始和假設(shè)條件，采用LOFTRAN程序?qū)G自然循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行模擬，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖2～圖6所示，分別為RCS熱段溫度、RCS冷段溫度、RCS壓力、RCS流量和SG壓力。實(shí)際試驗(yàn)過程中，在主泵停運(yùn)后，操縱員根據(jù)規(guī)程要求穩(wěn)定機(jī)組狀態(tài)，在約1800s時(shí)，RCS建立穩(wěn)定的自然循環(huán)，試驗(yàn)在約2400s時(shí)結(jié)束，試驗(yàn)結(jié)束后，操縱員手動停堆。由于分析時(shí)沒有考慮操縱員手動停堆后的操作，因此圖2、圖3和圖4中的對比僅關(guān)注反應(yīng)堆停堆前階段。通過對比圖分析，無論從一回路系統(tǒng)響應(yīng)（溫度、壓力、流量），還是從二回路系統(tǒng)響應(yīng)（SG壓力），SG自然循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)（電廠狀態(tài)實(shí)際變化趨勢）與LOFTRAN程序分析結(jié)果吻合良好，說明AP1000蒸汽發(fā)生器自然循環(huán)試驗(yàn)過程中機(jī)組狀態(tài)響應(yīng)符合預(yù)期。

3 結(jié)論

圖2 RCS熱段溫度

圖3 RCS冷段溫度

圖4 RCS壓力

圖5 RCS流量

文章通過分析SG自然循環(huán)試驗(yàn)的試驗(yàn)過程，并通過分析電廠數(shù)據(jù)對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)對比采用LOFTRAN程序計(jì)算的電廠參數(shù)變化趨勢，分析得出如下結(jié)論：（1）試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，AP1000 SG自然循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，堆芯衰變熱能夠通過蒸汽發(fā)生器自然循環(huán)帶走；（2）LOFTRON程序分析結(jié)果表明，AP1000蒸汽發(fā)生器自然循環(huán)試驗(yàn)過程中機(jī)組狀態(tài)響應(yīng)符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖6 SG壓力