□韓 雨

坎杜-6重水堆核電廠與輕水壓水堆核電廠的主要區(qū)別在于因使用天然鈾作為核燃料，要求冷卻劑必須是高純度的重水。如果重水純度下降，輕者會影響機組運行的經(jīng)濟性，重者會導(dǎo)致堆芯不能正常臨界?？捕?6重水堆核電廠只有在失去全部三、四級電源事故下才會導(dǎo)致主系統(tǒng)重水濃度降級，本文針對該失電事故展開分析。坎杜-6重水堆核電廠四級和三級電源配置簡圖如圖1所示。

圖1 坎杜-6核電廠四級和三級電源配置簡圖

一、主系統(tǒng)重水濃度降級分析

(一)事故的主要影響。一是自動觸發(fā)停堆；二是主系統(tǒng)失去強迫循環(huán)，由自然循環(huán)持續(xù)帶走堆芯衰變熱；三是主系統(tǒng)失去裝量補充，因主系統(tǒng)冷卻，主系統(tǒng)壓力隨之下降。當主系統(tǒng)壓力降低到4Mpa(g)左右，高壓安注系統(tǒng)輕水開始注入堆芯，引起主系統(tǒng)重水濃度的降級；四是蒸汽發(fā)生器失去主給水系統(tǒng)補水，自動降壓邏輯觸發(fā)后，應(yīng)急給水系統(tǒng)或噴淋水箱能夠提供補水；五是電廠不間斷UPS電源設(shè)計上1小時后用完。因此，在其耗盡之前，需啟動電廠應(yīng)急電源系統(tǒng)，以維持堆芯衰變熱的排出和重要參數(shù)的監(jiān)視及控制。

(二)主系統(tǒng)重水濃度降級分析。

1.蒸發(fā)器降溫導(dǎo)致主系統(tǒng)重水濃度降級。根據(jù)電廠失去四級和三級電源應(yīng)急運行規(guī)程，事故30分鐘后開始降溫操作。隨著蒸發(fā)器二次側(cè)降溫，主系統(tǒng)壓力也隨之下降。當主系統(tǒng)壓力降低到4Mpa(g)左右，安注輕水就會注入主系統(tǒng)，從而導(dǎo)致其重水濃度的降級。之后，隨著事故進程，主系統(tǒng)壓力逐漸降低。根據(jù)電廠內(nèi)部技術(shù)報告評估，在全廠失電事故下，主系統(tǒng)壓力將降低到2.96Mpa(g)。

2.主系統(tǒng)重水濃度降級分析計算。根據(jù)熱工建模的計算結(jié)果，當主系統(tǒng)壓力為2.96Mpa(g)時，安注系統(tǒng)注入主系統(tǒng)的輕水約為25.7噸。同時由電廠重水管理系統(tǒng)查詢結(jié)果，功率運行時機組主系統(tǒng)和穩(wěn)壓器的重水裝量約147噸。假設(shè)事故下穩(wěn)壓器液位降低到0.8米時操縱員手動隔離后穩(wěn)壓器內(nèi)重水裝量為1噸，則重水降級計算采用主系統(tǒng)重水裝量為146噸。假設(shè)重水和輕水均勻混合，輕水分子量取18，重水分子量取20，主系統(tǒng)裝量146噸為純重水，則主系統(tǒng)壓力降低到2.96Mpa(g)時主系統(tǒng)重水濃度C1計算如下：

C1=N0/( N0+N1)

=[NaX(1.46E+08÷20)]÷[NaX(1.46E+08÷20+2.57E+07÷18)]

≈83.6%atm

其中：

N0為主系統(tǒng)正常運行裝量重水的分子數(shù);

N1主系統(tǒng)壓力降低到2.96 Mpa(g)時高壓安注系統(tǒng)注入主系統(tǒng)的輕水分子數(shù)；

Na 阿伏加德羅常數(shù)。

如果按照機組重水升級系統(tǒng)的升級能力或從國外應(yīng)急采購新的高純重水，再進行主系統(tǒng)重水裝量的整體置換，保守估計核電廠需停運4個月，根據(jù)電廠每天的發(fā)電量等進行經(jīng)濟核算，估計經(jīng)濟損失在十億元以上。

二、避免主系統(tǒng)重水濃度降級的策略分析

(一)策略實施準則。

1.主泵密封完整性準則。根據(jù)福島核事故后坎杜-6重水堆核電廠全廠失電事故的分析，主泵密封失去注入流和設(shè)冷水后成為威脅主系統(tǒng)完整性的薄弱環(huán)節(jié)。一旦主泵密封因主系統(tǒng)高壓高溫而失效，則會造成主系統(tǒng)完整性破壞和重水的泄漏。根據(jù)國外技術(shù)單位的分析，在全廠失電事故下，如果蒸發(fā)器二次側(cè)不進行降溫降壓，那么主系統(tǒng)壓力將維持在大約9Mpa(g)。而主泵軸封在壓力為15.5Mpa(2,250psi)和溫度315℃(600℉)條件下測試8小時后能保持其完整性。

2.避免主系統(tǒng)重水濃度降級的主系統(tǒng)壓力準則。根據(jù)模擬機事故驗證，當主系統(tǒng)的壓力降低到4Mpa(g)時，高壓安注輕水開始注入主系統(tǒng)。同時，根據(jù)電廠設(shè)計文件，安注高壓水箱正常水位10.1米液面標高為105.82米，主系統(tǒng)進出口集管標高為112.5米，假設(shè)高壓安注氣箱壓力為高壓報警值4.41Mpa(g),則事故下主系統(tǒng)降壓至4.34Mpa(g)時高壓安注輕水開始注入主系統(tǒng)。因此，確定避免主系統(tǒng)重水濃度降級的準則：事故下主系統(tǒng)壓力能夠維持大于4.4Mpa(g)。

(二)避免事故下主系統(tǒng)重水濃度降級的策略。事故下主系統(tǒng)壓力值是由重水液體的容積、穩(wěn)壓器中重水蒸汽容積及其膨脹和汽液界面的能量和物質(zhì)交換而得到。其過程遵循質(zhì)量平衡方程、能量平衡方式和動量平衡方程。主系統(tǒng)重水液體的容積由主系統(tǒng)各部分不同溫度的重水所決定，可以分成如下四部分：一是堆芯入口至堆芯出口部分，該部分為重水升溫部分；二是堆芯出口至蒸發(fā)器入口部分，該部分為高溫重水部分；三是蒸發(fā)器入口至蒸發(fā)器出口部分，該部分為重水降溫部分；四是蒸發(fā)器出口至堆芯入口部分，該部分為低溫重水部分。

以上四部分，由于重水溫度的不同，對應(yīng)的密度也不同，四部分重水容積之和得出主系統(tǒng)重水液體所占的容積也不同。因此，可以通過控制主系統(tǒng)各部分重水溫度來控制主系統(tǒng)的壓力。主系統(tǒng)各部分溫度控制的越高，則主系統(tǒng)的壓力也就越高，越可以避免主系統(tǒng)重水濃度的降級。

因此，以主泵密封完整性準則為前提，把通過蒸發(fā)器二次側(cè)降溫降壓并控制在較高的壓力，防止主系統(tǒng)壓力降低至4.4Mpa(g)，作為避免主系統(tǒng)重水濃度降級的策略。該策略的方法是不再根據(jù)規(guī)程要求對蒸發(fā)器二次側(cè)降壓到接近大氣壓，而是控制蒸汽發(fā)生器二次側(cè)降溫降壓后的壓力。蒸汽發(fā)生器二次側(cè)壓力控制越高，其對應(yīng)的飽和溫度就越高，這樣控制的主系統(tǒng)溫度也就越高，越能延緩主系統(tǒng)壓力下降的速度。

根據(jù)坎杜-6重水堆核電廠熱工模型分析計算的結(jié)果，如果控制蒸汽發(fā)生器二次側(cè)壓力1.5Mpa(a)時，事故后8小時內(nèi)，主系統(tǒng)壓力能夠維持在6.1Mpa(a)以上，能夠保證避免安注輕水的注入而導(dǎo)致的主系統(tǒng)重水濃度的降級?？刂普羝l(fā)生器二次側(cè)壓力1.5Mpa(a)時主系統(tǒng)出口集管壓力變化曲線如圖2所示。

圖2 SG壓力控制在1.5Mpa(a)時主系統(tǒng)出口集管壓力變化曲線

三、結(jié)論和建議

(一)結(jié)論。一是失去全部三、四級電源事故將導(dǎo)致主系統(tǒng)重水濃度降低約20%，經(jīng)濟損失十億人民幣以上；二是控制蒸汽發(fā)生器二次側(cè)壓力1.5Mpa(a)以上，事故后8小時內(nèi)，主系統(tǒng)壓力能夠維持在6.1Mpa(a)以上，能夠保證避免安注輕水的注入而導(dǎo)致的主系統(tǒng)重水濃度的降級；三是策略使電廠在失去三、四級電源事故下避免主系統(tǒng)重水濃度降級的響應(yīng)干預(yù)時間從0.5小時提升到8小時。

(二)建議。一是電廠技改保證蒸汽發(fā)生器二次側(cè)壓力1.5Mpa(a)以上的蒸發(fā)器補水能力；二是電廠技改或規(guī)程優(yōu)化保證蒸汽發(fā)生器二次側(cè)壓力能夠控制在1.5Mpa(a)；三是增加模擬機相應(yīng)的事故場景并定期組織電廠人員演練。