常華健,李玉全,鐘 佳,房芳芳,石 洋,王 楠,張 鵬

(1.國(guó)核華清 (北京)核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司,北京 102209;2.清華大學(xué)核能與新能源設(shè)計(jì)研究院,北京 100084)

大型先進(jìn)壓水堆核電站CAP1400是在充分消化吸收AP1000[1]三代非能動(dòng)核電技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)增大堆芯容量、優(yōu)化總體技術(shù)參數(shù)和系統(tǒng)配置,在保證安全性不低于AP1000的前提下,提升經(jīng)濟(jì)性,從而開(kāi)發(fā)出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型先進(jìn)壓水堆核電站。圖1所示為CAP1400的堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng) (Passive Core Cooling System,PXS),每一個(gè)回路通過(guò)1條熱管和2條冷管將反應(yīng)堆壓力容器和1臺(tái)蒸汽發(fā)生器連接,穩(wěn)壓器與其中一個(gè)回路的熱管相連接。非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)在發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故(Design Basis Accident)下提供應(yīng)急堆芯冷卻,為反應(yīng)堆提供應(yīng)急堆芯余熱排出,在喪失冷卻劑事故時(shí)為堆芯提供充分的冷卻[2]。PXS系統(tǒng)由非能動(dòng)余熱排出換熱器及進(jìn)出口管道,堆芯補(bǔ)水箱、蓄壓安注箱、安全殼內(nèi)置換料水箱及各水箱對(duì)應(yīng)的安注管線(xiàn)組成。此外,還設(shè)置了自動(dòng)降壓系統(tǒng)(Automatic Depressurization Sytem,ADS)來(lái)提供事故情況下的可控卸壓,自動(dòng)降壓系統(tǒng)由四級(jí)降壓閥門(mén)組成,按閥門(mén)打開(kāi)順序依次定義為ADS-1～4級(jí)。

圖1 CAP1400主回路及非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)Fig.1 RCSand PXS of CAP1400

CAP1400非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)性能試驗(yàn)是大型先進(jìn)非能動(dòng)電站開(kāi)發(fā)的核心技術(shù),相關(guān)研究用來(lái)評(píng)價(jià)CAP1400設(shè)計(jì)安全性并驗(yàn)證安全分析程序。為此,本文將對(duì)國(guó)內(nèi)首個(gè)大型先進(jìn)非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)整體試驗(yàn)臺(tái)架 (Advanced Core Cooling Mechanis m Experi ment,ACME)的參數(shù)選取、試驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)內(nèi)容和臺(tái)架系統(tǒng)組成及典型試驗(yàn)工況結(jié)果進(jìn)行介紹。

1 參數(shù)選取

對(duì)于AP600,美國(guó)西屋公司和美國(guó)NRC采用了三個(gè)整體試驗(yàn)臺(tái)架開(kāi)展研究,意大利和日本的全高全壓SPES[3]及ROSA[4]臺(tái)架,美國(guó)的1/4高度降低壓力的APEX[5]臺(tái)架,對(duì)于AP1000,由于已有AP600的試驗(yàn)結(jié)果作為基礎(chǔ),主要利用改造后的APEX臺(tái)架開(kāi)展了試驗(yàn)[6]。

在充分借鑒APEX、SPES和ROSA臺(tái)架試驗(yàn)技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)于CAP1400,ACME試驗(yàn)臺(tái)架采用了1/3高度比及10 MPa設(shè)計(jì)壓力的總體試驗(yàn)方案,采用H2TS比例分析[7]方法進(jìn)行比例設(shè)計(jì)。10 MPa設(shè)計(jì)壓力的方案省略了對(duì)初始過(guò)冷噴放階段的模擬,它利用非能動(dòng)壓水堆與二代能動(dòng)壓水堆在過(guò)冷噴放階段現(xiàn)象相同這一點(diǎn),將關(guān)注點(diǎn)放在非能動(dòng)設(shè)備動(dòng)作的主要階段并采用等壓方式模擬。該方案的優(yōu)勢(shì)在于有效控制了全壓臺(tái)架 (如SPES、ROSA)的儲(chǔ)熱失真問(wèn)題,避免了降壓臺(tái)架 (如APEX)不等物性模擬帶來(lái)的工質(zhì)物性失真問(wèn)題,保證了在同一臺(tái)架上對(duì)非能動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)的全過(guò)程模擬,使得ACME與同類(lèi)臺(tái)架相比,試驗(yàn)范圍最寬,總體失真度最小[8]。CAP1400小破口失水事故 (Small Brenk Loss-of-cool ant Accident,SBLOCA)瞬態(tài)階段及各試驗(yàn)臺(tái)架模擬覆蓋范圍如圖2所示。1/3的高度比例,減少了全高臺(tái)架的長(zhǎng)徑比 (L/D)過(guò)大造成的過(guò)量的表面熱損失,同時(shí)臺(tái)架的L/D更為接近原型,從而使得三維現(xiàn)象能夠得到較好模擬。

圖2 SBLOCA瞬態(tài)階段及各試驗(yàn)臺(tái)架試驗(yàn)覆蓋范圍Fig.2 Overlooks of phases of SBLOCA transient and si mulation ranges of different facilities

2 試驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容

ACME試驗(yàn)臺(tái)架的主要目標(biāo)是開(kāi)展CAP1400核電廠(chǎng)小破口失水事故 (包括長(zhǎng)期冷卻階段)下非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)性能試驗(yàn)研究,評(píng)價(jià)不同破口條件和不同失效條件下非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行特性,認(rèn)識(shí)高功率條件下多種非能動(dòng)安全設(shè)備的相互作用機(jī)制,探索熱工水力現(xiàn)象與過(guò)程的復(fù)雜物理機(jī)理,為安全分析程序的驗(yàn)證積累可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù),為CAP1400核電廠(chǎng)設(shè)計(jì)通過(guò)安全審評(píng)提供試驗(yàn)驗(yàn)證保障。試驗(yàn)工況包括以下幾類(lèi)。

2.1 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故試驗(yàn)

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故試驗(yàn)工況研究冷段、熱段、壓力平衡管線(xiàn)雙端斷裂、直接安注管線(xiàn)雙端斷裂等位置發(fā)生破口事故后的系統(tǒng)響應(yīng),破口事故疊加有穩(wěn)壓器環(huán)路或無(wú)穩(wěn)壓器環(huán)路一個(gè)ADS第4級(jí)閥門(mén)失效的影響,破口尺寸敏感性 (破口尺寸范圍為1.5～20 c m),試驗(yàn)的可重復(fù)性等。

2.2 非凝結(jié)氣體注射與否對(duì)非能動(dòng)堆芯冷卻影響研究試驗(yàn)

在冷段5 c m破口和熱段5 c m破口兩種事故條件下,安注箱注水即將結(jié)束時(shí),隔離其注射管線(xiàn),防止氮?dú)庾⑷胍换芈废到y(tǒng),研究沒(méi)有非凝結(jié)氣體注射與相應(yīng)的有非凝結(jié)氣體注射工況的差別,研究氣體的注射量和分布,研究其對(duì)非能動(dòng)堆芯冷卻性能的影響。

2.3 非能動(dòng)堆芯冷卻魯棒性研究試驗(yàn)

研究非能動(dòng)堆芯冷卻是否有 “陡邊”效應(yīng),考慮調(diào)整ACME試驗(yàn)裝置非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)相關(guān)注射管線(xiàn)阻力,驗(yàn)證在此條件下CAP1400非能動(dòng)堆芯冷卻是否能夠滿(mǎn)足事故緩解的要求,以研究CAP1400非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)的魯棒性。

2.4 超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故 (多重失效)試驗(yàn)

超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故 (多重失效)試驗(yàn)?zāi)M典型冷段破口或DVI管線(xiàn)雙端斷裂兩種事故條件下兩個(gè)ADS第4級(jí)閥門(mén)失效、或ADS第1級(jí)到第3級(jí)閥門(mén)全部失效疊加一個(gè)ADS第4級(jí)閥門(mén)失效、或兩個(gè)CMT失效疊加一個(gè)ADS第4級(jí)閥門(mén)失效情況下的系統(tǒng)響應(yīng)。

2.5 縱深防御系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)運(yùn)行的影響試驗(yàn)

研究冷段5 c m破口和ADS誤觸發(fā)兩種事故條件下正常余熱期出系統(tǒng) (RNS)系統(tǒng)執(zhí)行補(bǔ)水功能對(duì)CAP1400非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)運(yùn)行的影響,驗(yàn)證其RCS水裝量補(bǔ)給的縱深防御功能(如特定破口條件下,RNS系統(tǒng)運(yùn)行可防止ADS第4級(jí)閥門(mén)的觸發(fā))。

3 系統(tǒng)組成

ACME試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)目的在于準(zhǔn)確模擬原型電站小破口事故瞬態(tài)過(guò)程及重要的熱工水力現(xiàn)象,其結(jié)構(gòu)和布局與原型電站相同,包括完整的一回路系統(tǒng)、非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)以及主要的輔助系統(tǒng)。此外,ACME試驗(yàn)系統(tǒng)還包括儀表測(cè)量和控制系統(tǒng),用于完成試驗(yàn)裝置的事故序列觸發(fā)控制、數(shù)據(jù)測(cè)量及采集等功能。

ACME一回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與CAP1400相同,由兩條與反應(yīng)堆壓力容器 (RPV)相連的環(huán)路組成,每條環(huán)路包括一臺(tái)蒸汽發(fā)生器、兩臺(tái)主泵以及一根熱管段、兩根冷管段,共同組成冷卻劑閉式循環(huán)回路。另外,系統(tǒng)還包括穩(wěn)壓器及其與熱段相連的波動(dòng)管線(xiàn)。其流程見(jiàn)圖3。

ACME的非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)與CAP1400相同,該系統(tǒng)包括:1)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng),用于事故初期堆芯余熱的應(yīng)急排出;2)非能動(dòng)安注系統(tǒng),在失水事故下向堆芯提供應(yīng)急冷卻水,該系統(tǒng)由CMT、ACC、IRWST以及安注管線(xiàn)組成,實(shí)現(xiàn)高壓、中壓、低壓安注;3)自動(dòng)降壓系統(tǒng),該系統(tǒng)由4級(jí)ADS組成,其中1～3級(jí)位于PZR頂部,第4級(jí)位于熱管段頂部。PXS流程見(jiàn)圖4。

圖4 ACME非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)Fig.4 PXS of ACME

ACME的輔助系統(tǒng)與CAP1400的輔助系統(tǒng)有所不同,它的首要功能是維持試驗(yàn)系統(tǒng)正常運(yùn)行,包括:主給水及主蒸汽系統(tǒng)、化容系統(tǒng)(CVS)、正常余熱排出系統(tǒng) (RNS)、水凈化系統(tǒng)、凝水回水系統(tǒng)、排水排氣系統(tǒng)以及主泵軸封冷卻系統(tǒng)。另外,RNS泵還提供系統(tǒng)初始充水功能,CVS泵提供試驗(yàn)啟動(dòng)時(shí)高壓條件下的充水功能。其中,RNS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還保留有在小破口失水事故條件下的縱深防御作用,在特定破口條件下,RNS系統(tǒng)的運(yùn)行可防止ADS系統(tǒng)的觸發(fā),驗(yàn)證設(shè)計(jì)的縱深防御功能。

ACME的儀表測(cè)量及控制系統(tǒng)是專(zhuān)為試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的,不僅要保證系統(tǒng)按照準(zhǔn)確的觸發(fā)邏輯運(yùn)行,更重要的是要保證系統(tǒng)獲得完整可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)包括:破口及ADS分離測(cè)量系統(tǒng) (BA MS)、測(cè)量?jī)x表系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)、控制系統(tǒng)以及安全保護(hù)系統(tǒng)。其中破口分離測(cè)量系統(tǒng)是針對(duì)破口及ADS汽液流量分離測(cè)量的裝置;測(cè)量?jī)x表可進(jìn)行包括溫度、流量、液位、壓力及重量等熱工水力參數(shù)的測(cè)量,共有1000多個(gè)測(cè)點(diǎn);數(shù)據(jù)采集 (DAS)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將多通道儀表采集的數(shù)據(jù)按要求錄入數(shù)據(jù)庫(kù);控制系統(tǒng)根據(jù)試驗(yàn)邏輯序列和輸入信號(hào),實(shí)現(xiàn)設(shè)備觸發(fā)和動(dòng)作,以及試驗(yàn)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控;保護(hù)系統(tǒng)保障設(shè)備及工作人員在試驗(yàn)運(yùn)行狀態(tài)下的安全。

以上四個(gè)基本子系統(tǒng)構(gòu)成了ACME整體試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng),提供完整的CAP1400小破口事故模擬試驗(yàn)功能。ACME試驗(yàn)臺(tái)架整體概貌見(jiàn)圖5。

圖5 ACME臺(tái)架概貌Fig.5 Overlooks of ACME

4 典型試驗(yàn)工況

典型的5 c m小破口的主要試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6(a)所示為系統(tǒng)壓力,0時(shí)刻破口發(fā)生,系統(tǒng)快速降壓,同時(shí)主泵惰轉(zhuǎn),PXS系統(tǒng)投入。隨著過(guò)冷度的減小和主泵停止惰轉(zhuǎn),系統(tǒng)降壓曲線(xiàn)變緩,出現(xiàn)了一個(gè)明顯的壓力平臺(tái),進(jìn)入非能動(dòng)余熱載出階段,ADS閥門(mén)的相繼開(kāi)啟使系統(tǒng)持續(xù)降壓,最終系統(tǒng)壓力基本維持恒定。圖6(b)所示為安注流量,非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,CMT、ACC和IRWST設(shè)備內(nèi)的冷卻劑分別來(lái)提供高、中、低壓階段下的堆芯補(bǔ)水,其設(shè)備內(nèi)冷卻劑通過(guò)安注管線(xiàn)進(jìn)入反應(yīng)堆壓力容器。S信號(hào)觸發(fā)CMT安注管線(xiàn)上隔離閥打開(kāi),CMT內(nèi)冷卻水先后經(jīng)歷循環(huán)模式、排水模式為RPV補(bǔ)水。系統(tǒng)壓力下降至低于ACC內(nèi)蓄壓壓力時(shí),ACC安注開(kāi)始,在壓差作用下,ACC有較大的安注流量,并對(duì)CMT的安注流量起到一定的阻滯作用。當(dāng)主系統(tǒng)壓力降至低于IRWST內(nèi)水柱壓頭時(shí),IRWST內(nèi)大量冷卻劑通過(guò)重力作用流入反應(yīng)堆壓力容器,為堆芯提供長(zhǎng)時(shí)間的冷卻。圖6(c)所示為堆芯坍塌和混合液位。破口發(fā)生后,堆芯液位均快速下降,隨著CMT、ACC的補(bǔ)水液位有所保持,而ADS閥門(mén)的打開(kāi)使液位進(jìn)一步下降,直到IRWST內(nèi)流體注入,液位開(kāi)始緩慢上升,后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。試驗(yàn)中堆芯混合液位一直處于堆芯活性區(qū)之上。

圖6 冷段底部5 c m破口試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 ACME CL botto m 5 c m SBLOCA test results

通過(guò)試驗(yàn),說(shuō)明在小破口事故試驗(yàn)中,PXS系統(tǒng)能夠按預(yù)期動(dòng)作,系統(tǒng)壓力有序降低,堆芯得到充分的冷卻。

5 結(jié) 論

為了驗(yàn)證非能動(dòng)壓水堆核電站CAP1400非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)的安全性,在AP600及AP1000試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,針對(duì)CAP1400的PXS開(kāi)展了PXS整體性試驗(yàn) (ACME)。ACME試驗(yàn)臺(tái)架采用了獨(dú)特的10 MPa及1/3高度的設(shè)計(jì)比例,實(shí)現(xiàn)了對(duì)于CAP1400小破口事故下自然循環(huán)及之后階段的完整的等壓模擬,為事故瞬態(tài)分析與預(yù)測(cè)、PXS性能驗(yàn)證提供了試驗(yàn)結(jié)果。ACME臺(tái)架的結(jié)構(gòu)和布局與原型電站相同,包括完整的一回路系統(tǒng)、非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)以及主要的輔助系統(tǒng)。此外,ACME試驗(yàn)系統(tǒng)還包括儀表測(cè)量和控制系統(tǒng),用于完成試驗(yàn)裝置的事故序列觸發(fā)控制、數(shù)據(jù)測(cè)量及采集等功能。典型小破口事故試驗(yàn)中,ACME臺(tái)架的PXS系統(tǒng)能夠按預(yù)期動(dòng)作,系統(tǒng)壓力有序降低,堆芯得到充分的冷卻。ACME臺(tái)架的試驗(yàn)結(jié)果有效支撐了CAP1400的安全評(píng)審,并為程序驗(yàn)證提供了數(shù)據(jù)支撐。