萬超

(中核核電運行管理有限公司 浙江海鹽 314300)

0 引言

核電廠每運行一個燃料循環(huán)后需要進(jìn)行大修工作，將使用過的乏燃料從壓力容器堆芯中取出來，裝入新的核燃料并對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，為下一個燃料循環(huán)做好準(zhǔn)備。核燃料裝卸操作需要開啟壓力容器大蓋，為保證堆芯核燃料的有效冷卻和生物屏蔽功能的實現(xiàn)，開蓋過程中反應(yīng)堆一回路水位要保持在壓力容器法蘭面附近，水位過高或過低都會帶來安全風(fēng)險[1-3]。核電廠大修期間，反應(yīng)堆進(jìn)入壓力容器法蘭面水位后，能夠觀察到明顯的蒸汽發(fā)生器U型管返水現(xiàn)象，給反應(yīng)堆一回路水位控制造成困擾。在對秦山第二核電廠歷次大修中蒸汽發(fā)生器U型管返水情況進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，蒸汽發(fā)生器U型管返水存在一定的規(guī)律性，返水過程和返水量與U型管中的水溫以及蒸汽發(fā)生器二次側(cè)排空操作有關(guān)聯(lián)。理清蒸汽發(fā)生器U型管返水的機(jī)理和引發(fā)的安全風(fēng)險，制定出相應(yīng)的對策，能極大地減輕操縱員的水位控制負(fù)擔(dān)，避免發(fā)生危及人員、設(shè)備和堆芯安全的執(zhí)照運行事件，為核電廠大修安全提供助力。

1 蒸汽發(fā)生器U型管返水機(jī)理分析

核電廠蒸汽發(fā)生器的主要作用是將一回路水的熱量傳給二回路水，使其汽化推動汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。蒸汽發(fā)生器蒸發(fā)段的下部是由倒置的U形管束構(gòu)成，一回路水在管內(nèi)流動，二回路水在管外汽化，傳熱過程如圖1所示。

圖1 反應(yīng)堆傳熱過程示意

蒸汽發(fā)生器U型管返水實際上是U型管內(nèi)吸附的一回路水逐步釋放出來的過程。由于U型管頂部沒有進(jìn)氣點，在反應(yīng)堆一回路排水過程中，U型管內(nèi)的水排出的同時會在上部空間形成負(fù)壓，導(dǎo)致一部分水吸附在U型管內(nèi)無法排出，在一定條件下，U型管內(nèi)的壓力平衡被打破時，U型管內(nèi)吸附的水就會排出，產(chǎn)生U型管返水現(xiàn)象。

U型管間歇性返水看似毫無規(guī)律，實則存在明確的原因和機(jī)理。以秦山第二核電廠307大修中蒸汽發(fā)生器U型管的返水情況為例，在反應(yīng)堆一回路水位穩(wěn)定在壓力容器法蘭面水位后，先后發(fā)生了2次蒸汽發(fā)生器U型管返水和1次U型管吸水現(xiàn)象，持續(xù)數(shù)小時。圖2是秦山第二核電廠307大修反應(yīng)堆一回路的水位趨勢，可以看到由于蒸汽發(fā)生器U型管的返水和吸水現(xiàn)象，導(dǎo)致水位有3次明顯的波動過程。

圖2 307大修反應(yīng)堆一回路水位趨勢

1.1 蒸汽發(fā)生器U型管內(nèi)水體汽化引發(fā)返水

每次大修中，為更換核燃料，需要將一回路水位排低到壓力容器法蘭面位置，以便開啟壓力容器大蓋。到達(dá)要求水位停止排水后，一段時間內(nèi)水位會持續(xù)上漲無法穩(wěn)定，需要操縱員頻繁排水干預(yù)。水位上漲是U型管返水導(dǎo)致，但是U型管返水為何會持續(xù)一個多小時，返水量也遠(yuǎn)大于U型管內(nèi)形成負(fù)壓的理論排水量。結(jié)合工藝系統(tǒng)的實際運行情況進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)蒸汽發(fā)生器U型管內(nèi)水體汽化發(fā)生相變是造成返水的直接原因。圖2中第1次水位波動是蒸汽發(fā)生器U型管內(nèi)水體汽化引發(fā)U型管返水導(dǎo)致。

大修中反應(yīng)堆冷卻劑泵停運后，蒸汽發(fā)生器U型管就成為死管段，U型管內(nèi)的水體溫度維持在50 ℃左右。在U型管內(nèi)形成負(fù)壓的過程中，當(dāng)壓力低于50 ℃水溫對應(yīng)的飽和壓力時，U型管內(nèi)水體會發(fā)生沸騰汽化，產(chǎn)生的蒸汽積聚到U型管上部空間后使壓力上升，促使U型管返水。在一回路排水停止后，由于汽化效應(yīng)的存在，U型管仍然持續(xù)向一回路返水，直到U型管內(nèi)達(dá)到氣液兩相平衡狀態(tài)后停止，此時U型管上部會形成一個與50 ℃水溫對應(yīng)的飽和蒸汽空間。50 ℃溫度對應(yīng)下的飽和蒸汽壓力決定了這一階段的返水量，由于每次換料大修工況相同，這一階段U型管返水量約為10 m3。

1.2 蒸汽發(fā)生器二次側(cè)排空操作引起U型管返水

U型管第1次返水過程結(jié)束后，一回路水位趨于穩(wěn)定，一段時間后突然開始了第2次水位波動，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)排空操作打破了U型管內(nèi)原已形成的平衡狀態(tài)是此次U型管返水的直接原因。圖2中反應(yīng)堆第2次水位波動是由于蒸汽發(fā)生器二次側(cè)排空操作導(dǎo)致。

秦山第二核電廠蒸汽發(fā)生器二次側(cè)排空采用壓空加壓排水的方式，隨著蒸汽發(fā)生器內(nèi)壓空壓力的逐步升高，壓空溫度也會上升。當(dāng)蒸汽發(fā)生器二次側(cè)排水到U型管頂部露出水面后，壓空和U型管直接接觸，兩者之間存在溫差時產(chǎn)生熱交換，破壞了U型管內(nèi)的平衡狀態(tài)造成U型管向一回路返水。

圖3是蒸汽發(fā)生器充壓空示意，如果把蒸汽發(fā)生器充氣過程做為一個開口系統(tǒng)來分析，在U型管裸露之前，U型管內(nèi)外側(cè)之間還沒有熱交換，蒸汽發(fā)生器可以看成是一個絕熱容器；蒸汽發(fā)生器排水時間較長，可以假設(shè)一段時間內(nèi)容積不變；壓空充入蒸汽發(fā)生器后留在里面，忽略充入氣體的動能和位能，結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程的微分形式，根據(jù)開口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律能量表達(dá)式，可以推導(dǎo)出蒸汽發(fā)生器二次側(cè)充壓空過程中壓空壓力與溫度的關(guān)系式為

圖3 蒸汽發(fā)生器充壓空示意

(1)

式中，P1為蒸汽發(fā)生器中初始壓力，大氣壓；P2為U型管露出水面時的壓空壓力，0.6 MPa；T1為初始溫度，50 ℃；κ為空氣系數(shù)，1.4；Tc為充入蒸汽發(fā)生器的壓空溫度，常溫25 ℃；T2為U型管露出水面時蒸汽發(fā)生器內(nèi)的壓空溫度?？梢杂嬎愠?，T2=399.15 K，即126 ℃。隨著壓力上升，壓空溫度有明顯升高。

當(dāng)高溫壓空和U型管接觸時會向U型管內(nèi)水體放熱，如果沒有U型管上部蒸汽空間的存在，水的比焓大，比體積隨溫度變化很小，不足以引發(fā)U型管返水，前一階段返水過程中形成的蒸汽空間則使得U型管返水成為了可能。蒸汽從U型管外的高溫壓空吸收熱量后，升溫膨脹導(dǎo)致壓力上升，破壞了原有的平衡狀態(tài)，使得U型管向一回路返水。同時，與蒸汽相接觸部分的水體升溫汽化后，也從U型管外壓空吸收熱量，升溫膨脹使得壓力進(jìn)一步升高，推動U型管繼續(xù)向一回路返水，直到U型管蒸汽空間內(nèi)外側(cè)溫差減小到傳熱過程停止后，返水結(jié)束。這一階段蒸汽發(fā)生器U型管向一回路的返水量取決于高溫壓空能夠提供的熱量。由于每次大修工況相同，這一階段的返水量約為9 m3。

1.3 蒸汽發(fā)生器二次側(cè)卸壓操作導(dǎo)致U型管吸水

蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水排空后要將二次側(cè)壓力卸到大氣壓，卸壓時壓空溫度降低，對U型管內(nèi)蒸汽產(chǎn)生冷卻作用使得體積收縮壓力降低，一回路水在大氣壓的作用下注入U型管中。圖2中反應(yīng)堆第3次水位波動是由于蒸汽發(fā)生器二次側(cè)卸壓操作導(dǎo)致。如果把蒸汽發(fā)生器卸壓看成一個剛性絕熱容器的放氣過程，假設(shè)卸壓過程中U型管內(nèi)外側(cè)之間沒有熱交換，根據(jù)理想氣體絕熱過程關(guān)系式

(2)

式中，T1為壓空卸壓前溫度；T2為卸壓后溫度。代入卸壓前壓力0.6 MPa，卸壓后為大氣壓，空氣系數(shù)κ=1.4，可以得出，卸壓前后壓空溫度的關(guān)系為T2=0.599T1，卸壓過程中壓空有明顯的降溫過程。當(dāng)這個溫度低于U型管一次側(cè)蒸汽的溫度時，必然會導(dǎo)致U型管一次側(cè)蒸汽冷卻收縮，壓力降低從一回路吸水，吸水量取決于壓空卸壓過程中從U型管內(nèi)蒸汽吸收的熱量，每次大修蒸汽發(fā)生器二次側(cè)卸壓工況相同，因此每次卸壓過程的吸水量約為5 m3。

2 蒸汽發(fā)生器U型管返水引發(fā)的安全風(fēng)險

核電廠大修期間，一回路水位到達(dá)壓力容器法蘭面水位區(qū)間后，要穩(wěn)定水位進(jìn)行開啟壓力容器大蓋的操作，這也是核燃料卸載前要完成的重要操作，此時由于蒸汽發(fā)生器U型管返水會引發(fā)一系列的安全風(fēng)險，對大修工作人員和設(shè)備安全都造成威脅。

(1)人員遭受放射性水污染

反應(yīng)堆壓力容器大蓋開啟操作需要將反應(yīng)堆水位維持在10.73～10.93 m的水位區(qū)間，該水位離11 m的壓力容器法蘭結(jié)合面很接近，當(dāng)蒸汽發(fā)生器U型管向一回路返水時，若操縱員干預(yù)不及時，放射性水就可能從壓力容器法蘭面溢出，易造成工作人員放射性傷害，反應(yīng)堆水位離法蘭結(jié)合面非常接近，增大了返水過程中對一回路水位進(jìn)行控制的難度。

(2)設(shè)備遭受腐蝕

核電廠采用硼酸作為反應(yīng)性控制手段，反應(yīng)堆一回路冷卻劑中含有硼酸溶液，當(dāng)反應(yīng)堆冷卻劑從壓力容器法蘭面溢出時會對法蘭、螺栓、螺孔造成腐蝕，對設(shè)備長期安全運行構(gòu)成威脅。

(3)水位過低違反運行技術(shù)規(guī)范要求，導(dǎo)致電廠安全水平降級

運行技術(shù)規(guī)范是在機(jī)組正常運行期間，確保公眾與工作人員的安全必須遵守的最低技術(shù)規(guī)則，只有嚴(yán)格遵守這些規(guī)則才能保證機(jī)組在整個運行期內(nèi)的安全。蒸汽發(fā)生器U型管向一回路返水時，若操縱員控制不當(dāng)，水位低于技術(shù)規(guī)范要求時，將導(dǎo)致電廠安全水平降級。

(4)水位低于反應(yīng)堆余熱排出系統(tǒng)要求的運行水位，導(dǎo)致設(shè)備損壞

大修期間反應(yīng)堆堆芯產(chǎn)生的剩余發(fā)熱需要通過余熱排出系統(tǒng)來冷卻排出，余熱排出系統(tǒng)正常運行對反應(yīng)堆一回路水位有要求。蒸汽發(fā)生器U型管向一回路返水時，若操縱員控制不當(dāng)導(dǎo)致水位低于余熱排出系統(tǒng)運行的最低要求水位時，將可能導(dǎo)致設(shè)備汽蝕損壞。

(5)堆芯失去冷卻，危及堆芯安全

蒸汽發(fā)生器U型管返水過程中，操縱員需要將U型管返水排出，保持一回路水位穩(wěn)定。若操縱員操作不當(dāng)導(dǎo)致反應(yīng)堆一回路水位過低，在極端情況下，余熱排出系統(tǒng)完全損壞，排熱功能完全喪失，將導(dǎo)致堆芯失去冷卻，危及到反應(yīng)堆堆芯安全。

3 蒸汽發(fā)生器U型管返水引發(fā)的安全風(fēng)險對策

分析并明確了蒸汽發(fā)生器U型管返水的原因和返水量，針對蒸汽發(fā)生器U型管返水引發(fā)的安全風(fēng)險制定如下對策：

(1)合理調(diào)整大修工序，避免壓力容器法蘭面溢水

在反應(yīng)堆壓力容器開大蓋期間，法蘭面緊固螺栓松開后，蒸汽發(fā)生器U型管返水時，放射性水有可能從法蘭面溢出污染人員和腐蝕設(shè)備。為規(guī)避風(fēng)險，大修工作中將壓力容器開大蓋的操作調(diào)整到蒸汽發(fā)生器二次側(cè)排空操作完成后再進(jìn)行。蒸汽發(fā)生器二次側(cè)排空后，U型管返水過程結(jié)束，反應(yīng)堆一回路水位保持穩(wěn)定，此時開啟壓力容器大蓋就不會再有溢水的風(fēng)險。

(2)卸壓操作前抬高一回路水位，防止水位低于技術(shù)規(guī)范要求

蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的卸壓操作會產(chǎn)生U型管吸水效應(yīng)，導(dǎo)致一回路水位降低，操縱員補(bǔ)水不及時可能導(dǎo)致水位低于技術(shù)規(guī)范要求，降低電廠安全水平，卸壓操作前抬高一回路水位，可以防止水位低于技術(shù)規(guī)范帶來的安全風(fēng)險。大修中蒸汽發(fā)生器卸壓導(dǎo)致的U型管吸水量約為5 m3，將一回路水位抬高到12 m，即可避免卸壓過程中水位低于10.73 m的技術(shù)規(guī)范水位帶來的安全風(fēng)險。

(3)制定合理控制方案，防范盲目干預(yù)導(dǎo)致的水位過低風(fēng)險

操縱員對一回路水位控制過程中的盲目干預(yù)是導(dǎo)致水位過低的主要原因。為防范水位過低帶來的安全風(fēng)險，根據(jù)蒸汽發(fā)生器U型管返水的原因和返水量，可以制定具有明確針對性的控制方案。壓力容器大蓋不開啟的情況下，放射性水溢出的風(fēng)險已經(jīng)消除，干預(yù)的緊迫性大大降低，操縱員進(jìn)行水位控制時應(yīng)著重防止干預(yù)過當(dāng)導(dǎo)致水位過低。進(jìn)行干預(yù)時的水位值可以適當(dāng)提高，對一回路進(jìn)行排水穩(wěn)定水位時可以采取少量多次的方式，防止排水過量。

4 結(jié)語

核電廠大修期間蒸汽發(fā)生器U型管返水引發(fā)的安全風(fēng)險是核電廠每次大修都要面對和解決的難題。蒸汽發(fā)生器U型管內(nèi)水體汽化和蒸汽發(fā)生器二次側(cè)排空操作是造成蒸汽發(fā)生器U型管返水的直接原因。根據(jù)蒸汽發(fā)生器U型管返水的機(jī)理，通過制定合理的對策，能夠有效避免由此帶來的一系列安全風(fēng)險，對核電廠大修安全具有重要意義。