賈林勝，楊亞鵬，王任澤，馮宗洋，王 寧，劉一寧

(中國輻射防護研究院，太原 030006)

反應堆堆芯損傷評價是一項非常具有挑戰(zhàn)性的工作。因為核事故應急時，往往事故進程復雜且不明確；事故監(jiān)測儀器儀表處于高溫、高壓、高濕、高輻射的惡劣環(huán)境下，獲取的監(jiān)測數據不一定可靠，因此準確地進行反應堆堆芯損傷評價非常困難，而且?guī)缀醪滑F(xiàn)實。但大致相對保守地估算堆芯損傷狀態(tài)及損傷份額，卻是非常有意義，可為緊急應急防護行動提供技術支持。目前有多種反應堆堆芯損傷評價方法，本文采用了基于在線監(jiān)測數據的評價方法。通過能反映堆芯狀態(tài)的在線監(jiān)測數據實時評價堆芯損傷狀態(tài)，滿足應急實時要求，也是目前各電廠主要使用的評價方法?？紤]事故時獲取的某一監(jiān)測數據可能不準確，因此采用多個監(jiān)測數據進行綜合評價。同時，本文對該方法實現(xiàn)了軟件化，可以快速直觀地進行評價，方便應急工作者快速獲取堆芯狀態(tài)。

1 不同堆芯損傷評價方法對比

堆芯損傷狀態(tài)的劃分一般包括堆芯無損傷、包殼損傷和堆芯熔化。包殼損傷是指部分燃料棒包殼已經失效的一種堆芯狀態(tài)，以致失效燃料棒間隙內的裂變產物釋放到反應堆冷卻劑系統(tǒng)[1]。堆芯熔化是指反應堆燃料或其他堆芯構件的大量熔化[2]。

目前堆芯損傷評價方法主要包括：(1)美國西屋公司的堆芯損傷評價導則(CDAG)[1]。該導則推薦基于固定式在線監(jiān)測數據進行堆芯損傷評價，滿足應急的實時要求。該方法主要基于堆芯熱電偶讀數(CETs)和安全殼輻射監(jiān)測讀數(CRMs)進行定性和定量評價。該方法增加了對燃料過熱損傷狀態(tài)判斷，燃料過熱損傷是指燃料芯塊溫度達到了裂變產物從燃料芯塊基體快速釋放到反應堆冷卻劑系統(tǒng)的一種堆芯狀態(tài)；但未對堆芯熔化進行判斷，主要原因為：1)在燃料過熱損傷階段釋放的裂變產物可以判定有嚴重的場外輻射風險；2)診斷堆芯熔化對電廠恢復策略的評估與實施不是必要的。(2)IAEA-TECDOC-955報告[2]推薦的幾種評價方法，分別為基于堆芯裸露時間、基于安全殼輻射監(jiān)測計讀數和基于一回路冷卻劑核素濃度的評價方法。這些方法主要參考了美國RTM96報告[3]；(3)西屋公司出版的CDAM報告[4]，該報告是基于核素取樣進行堆芯損傷評價，取樣對象主要包括一回路冷卻劑、安全殼氣體和安全殼地坑水。表1列出了不同方法的對比。

2 基于在線監(jiān)測數據的實時評價

基于監(jiān)測數據進行堆芯損傷評價，本文參考了CDAG導則，同時結合了不同事故特點和運行工藝特征。該方法將堆芯損傷狀態(tài)劃分為：堆芯無損傷、包殼損傷和燃料過熱損傷。

表1 不同堆芯評價方法的比較Tab.1 Comparison of the different assessment methods

2.1 不同監(jiān)測參數與堆芯損傷之間的關系

可判斷堆芯損傷狀態(tài)的監(jiān)測參數主要包括：堆芯熱電偶讀數(CETs)、安全殼輻射監(jiān)測計讀數(CRM)、安全殼氫氣濃度(CHs)、壓力容器水位(RVLs)、熱端溫度(RTDs)和源量程讀數(SRMs)。針對不同堆芯損傷狀態(tài)，有些監(jiān)測參數可用于定性定量判斷，有些只能定性判斷。表2列出了不同監(jiān)測參數與堆芯損傷之間的關系。

本文采用CETs和CRMs對包殼損傷進行定量評估，并使用CETs、CRMs和CHs對燃料過熱損傷進行定量評估，其他監(jiān)測參數進行定性輔助評價。堆芯損傷時，RVLs應低于堆芯上板，RTDs應高于正常冷卻劑飽和溫度，SRMs應顯著高于正常值。

表2 不同監(jiān)測參數與堆芯損傷判斷之間的關系Tab.2 The relation between monitoring parameters and core damage

2.2 基于CETs進行定量評價

CETs是最直接反映堆芯損傷狀態(tài)的參數，因此利用該監(jiān)測參數進行定量評價是首選的方法。但需注意，當燃料持續(xù)過熱損傷，堆芯溫度達到1 200 ℃以后，有些CETs讀數并不可靠，需要采取有效的CET或其他參數進行評價。CETs可以定量評價包殼損傷和燃料過熱損傷，一般假定堆芯熱電偶在堆芯中均勻分布，每個堆芯熱電偶讀數代表了附近的燃料狀態(tài)。如果反應堆中有40個CETs，每個CET代表了2.5%的堆芯狀態(tài)。對于燃料元件為鋯包殼的壓水堆，包殼破損對應的CET整定值，可參考嚴重事故入口條件取650 ℃；燃料過熱損傷可參考CDAG取1 100 ℃。

2.3 基于CRMs定量評價

當一回路發(fā)生破口事故向安全殼泄漏時，CRMs的讀數可以反映堆芯的損傷程度。泄漏量越大，CRMs讀數越高，因此，CRMs讀數在一定程度上可以反映堆芯狀態(tài)。該方法可以定量評價包殼損傷和燃料過熱損傷?；趩蝹€CRM讀數的評估公式可歸納為：

堆芯損傷份額=

當評價包殼損傷時，堆芯損傷是指包殼損傷；當評價燃料過熱損傷時，堆芯損傷是指燃料過熱損傷。100%堆芯損傷預期的安全殼輻射水平，是隨時間變化的函數，且不同高低壓狀態(tài)、噴淋打開關閉狀態(tài)，函數關系不同。該值的獲取，一般先計算100%堆芯損傷釋放到安全殼的源項Sc，然后通過蒙卡程序模擬或點核積分法估算該CRM位置處的輻射水平。源項Sc可以表示為:

Sc=堆芯積存量×100%堆芯損傷對應的釋放份額

不同事故情景下100%堆芯損傷的釋放份額，可參考CDAG推薦的釋放份額。堆芯積存量，一般可以采用堆芯平衡循環(huán)壽期末的堆芯裂變產物。主要考慮的放射性核素包括：惰性氣體Kr、Xe，碘和銫等。由于銫是長壽命的放射性核素，在反應堆運行時不易達到平衡，因此銫的堆芯積存量需要乘以其修正因子CFCs，其表達式為：

當反應堆發(fā)生安全殼旁通事故與蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂(SGTR)事故[5]時，一回路的水并未釋放到安全殼中，導致輻射監(jiān)測計的讀數變化不大。因此該事故情景下，依靠CRMs來評估堆芯損傷將不準確，可使用CETs進行定量評估。

2.4 基于CHs的定量評價

當燃料過熱損傷時，燃料包殼會發(fā)生鋯水反應。隨著損傷程度的加重，會有更多的氫氣釋放到安全殼中，所以CHs在一定程度上可以反映燃料過熱損傷的嚴重程度。使用該參數，需要確定100%燃料過熱損傷對應的安全殼氫氣體積濃度(CH100%)。該整定值的確定，與安全殼噴淋狀態(tài)、一回路系統(tǒng)高低壓狀態(tài)有關。利用CHs來評價堆芯狀態(tài)可以表示為：

目前核電站配備有很多的氫合器，非能動氫合器在安全殼氫氣體積濃度為1%～2%之間時，會自動啟動工作，所以氫合器開始工作后，需要估算累計的氫消耗量，然后計算相應的安全殼氫體積濃度(CHconsumption)。在這種情況下，利用CHs進行評價可以表示為:

燃料過熱損傷程度=

如果不考慮氫氣復合器的作用，那么基于CHs的評價結果將會小于實際影響結果，造成評價結果并不保守。

2.5 評價流程

本文堆芯損傷評價過程的主要思路為，首先基于在線監(jiān)測數據判斷堆芯損傷狀態(tài)，然后根據損傷類型選擇合適的監(jiān)測參數進行定量評價，最后進行輔助評價。評價流程圖如圖1所示。

圖1 基于監(jiān)測值評價堆芯損傷的流程Fig.1 Assessment process based on monitoring data

3 程序開發(fā)

開發(fā)了基于在線監(jiān)測數據的堆芯損傷評價程序，該程序主要包括數據采集模塊、物理計算模塊和輸出顯示模塊。圖2顯示了堆芯損傷評價的主界面，包括基本參數、監(jiān)測數據、注水情況、CET簡單布置圖、壓力容器液位指示五個區(qū)域。

該程序可根據實時獲取的數據進行評價；未獲取到實時數據時，可手動輸入數據進行評價。CET簡單布置圖可顯示每個CET的溫度，且不同溫度用不同顏色表示，通過顏色顯示溫度異常程度。壓力容器水位指示狀態(tài)，采用紅色進行報警判斷，主要包括對高于或低于壓力容器上封頭、熱管段頂部、熱管段底部、堆芯上板的判斷。

圖2 基于監(jiān)測值評價界面Fig.2 Interface of based on monitoring data assessment

4 結論

本文通過不同堆芯損傷評價方法的對比，選擇了基于在線監(jiān)測數據進行堆芯損傷評價，主要基于CETs、CRMs、CHs這三種參數進行定量評價，其他參數進行輔助評價。本文還探討了不同事故工況下，定量評價參數的適用條件；評價參數CRMs不適用于安全殼旁路事故或SGTR事故的評價；考慮了氫氣復合器啟動對評價結果的影響；實現(xiàn)了基于在線監(jiān)測數據進行堆芯損傷評價的程序開發(fā)。

這篇論文的形成，需要感謝張建崗教授和楊亞鵬、王任澤、馮宗洋、王寧等核應急與核安全所同事。感謝張教授的方向與重要點提示；感謝同事們對某些技術點的討論與交流。