安全注入的停运分析

信文强 常修猛 方 旭

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

1 安全注入系统的功能

安全注入系统（RIS），作为CP600压水堆核电站重要的专设安全设施，在反应堆冷却剂系统发生失水事故或主蒸汽系统发生管道破裂事故时，通过向堆芯注入完成堆芯应急冷却功能，保证堆芯湮没，防止燃料包壳熔化，保持堆芯的几何形状和完整性，并向反应堆冷却剂系统快速注入浓硼溶液，以补偿由于不可控地产生蒸汽致使反应堆冷却剂过冷而引起的容积变化和反应性的增加，从而可以使反应堆迅速安全停堆，并防止反应堆重返临界。

2 安全注入的必要性分析

对于各类设计基准事故，在仅考虑单一故障准则的基础上，安全注入系统启动后，及时准确的停运安全注入，对于某些事故处理就显得尤为重要。过量的安全注入不但对于事故处理无益，而且很可能将事故引入更加严重的工况，破坏核安全屏障，甚至可能导致放射性不可控排放。

各类过量安注的风险分析：

（1）误安注（事故规程I3.1包含的各类工况）：稳压器满水，由于稳压器压力的升高而使安全阀连续被顶开，第二道屏障面临破坏的危险。

（2）蒸汽发生器换热管破裂：一回路水将故障的蒸汽发生器充满，进而将其安全阀顶开（有可能液态排放），引起严重的放射性对外排放（不可控）。

（3）安全壳内、外主蒸汽管道破裂：故障蒸汽发生器排空后，一回路压力过高，故障蒸汽发生器的机械应力甚至达到NDTT的限值。

（4）一回路小破口：对于一回路最小的破口，安注流量明显大于破口漏量，其风险与多余的发注并无两样。

（5）一回路中破口和大破口：这是唯一不要求安注停运的事故。因为在整个事故过程中安注都是必要的。

结论：

几乎所有的事故工况，都面临安注停运的问题，而且通常在短时间内便要求停运。

下面首先以一回路小破口工况为例，分析一下安注系统停运的条件及准则。

3 安全注入停运的总原则

根据上述各类事故工况的分析，我们可以得到一条安全注入停运的总原则：一旦一回路的水装量足够甚至多余，就可以停运安注。如果失水情况恶化可以再启动安注。

既然一回路的水装量决定了安注是否过量，那么一回路水装量如何读取呢？当然是稳压器液位，可是稳压器水位能绝对代表一回路的水装量吗？

答案当然是不一定，稳压器实际水位并不总是能够代表一回路的水装量，因为存在主管道内存在蒸汽而在稳压器内是水的工况。

——在压力容器顶盖内部形成汽腔——稳压器内汽相破口（三里岛事故）

如果一回路处于欠饱和工况，也只有在该工况下，稳压器的水位才能很好地代表一回路的水装量。因此必须保证一回路流体处于不饱和状态。

如果要想给出一回路的水装量，必须有足够的饱和裕度条件来保证稳压器水位测量的真实有效性。因此安注的停运准则与稳压器的水位及饱和裕度相关。

4 关于饱和裕度△Tsatt的两个关键量20℃与40℃

再启动准则：为保证在一回路单相工况时水装量并且保证一回路主泵的正常运行，设计计算一个最小的饱和裕度余量，即第一台高压安注泵停运后△Tsat回到20℃以下，要求重新启动之前停运的高压安注泵，称之为再启动的准则。

最小饱和裕度余量是这样确定的：

（1）4℃的余量是考虑主泵的需要

（2）考虑到不可凝气体的存在留有6℃的余量

（3）考虑到测量通道的偏差有10℃的余量

第一台高压安注泵停运的准则

对于某一给定大小的破口，一回路总是平衡在某一个压力下（如图1）

当第一台安注泵停运以后，安注泵出口压力的改变会导致平衡压力的下降（如图2）

图2

PA＝2台高压安注泵时平衡压力

PB＝1台高压安注泵时平衡压力

假设该压力的下降时对应的TRIC不变，则压力的下降（即两个压力对应的饱和温度下降）可以转为为△Tsat的变化。通过事故分析计算总结，停运一列安注所引起△Tsat最大的下降是20℃。

允许停运第一台安注泵的最严格准则：△Tsat＞40℃

为了降低该停运条件，我们考虑通过改变之前我们所假设的条件—通过降低TRIC以补偿Tsat的下降,以保证△Tsat的裕度不变。

可降低TRIC又会带来一个新的问题，一回路流体冷却会带来收缩，而这种收缩相当于增加了泄露流量，将Q破口的曲线向右移动的一部分。而这部分收缩，造成了稳压器液位下降，进而使压力下降，Tsat下降，所以能否通过降低TRIC来补偿Tsat的下降，就需要考虑收缩过程中比较TRIC和Tsat的下降大小。

根据上述分析，我们得到了停运第一台高压安注泵的结论：

——如果稳压器是空的，则冷却收缩所造成的压力下降是非常快的，我们不允许在停泵的同时还有冷却。因此停运第一台高压安注泵的标准是严格要求△Tsat＞40℃。

——如果稳压器是欠饱和的，由于冷却使得饱和温度的下降较TRIC下降得更快，我们也不允许在停泵的同时还有冷却。因此停运第一台高压安注泵的准则也是严格要求△Tsat＞40℃。

——如果稳压器是饱和的，并且稳压器不会因该瞬态被排空，即稳压器水位是足够的。通过事故分析计算，得到稳压器水位的最低值应定在30%即-2.45m（窄量程），可以考虑将停运第一台高压安注泵的条件，放宽到△Tsat＞20℃。

图3

5 向正常上充工况过渡

向正常上充工况过渡较之停运第一台安注泵更加敏感，因为在切换过程中，将停止向一回路注水，并且一旦需要再投运安注，就需要更多的操作以及有较大的犯错误的风险，因而保持△Tsat＞20℃，并且提高了稳压器水位值的标准。

图4

6 安注停运失败后新的尝试

若要第二次停运高压安注泵，必须将△Tsa在原有基础上再增加10℃，但稳压器的水位仍可保持不变。

由安注过渡到正常上充工况，必须较第一次停运安注的条件更苛刻一些，即△Tsa增加10℃，NPZR加高1m。

7 其它事故

误安注

对于误安注工况下的停运安注条件基本上与一回路小破口工况一致，此外对于此类工况还需考虑到一个特殊问题：而对于隔离高压注入管线，为避免无硼伴热系统加热的管道中，特别是流量平衡阀处的管道中出现硼结晶，需进行彻底冲洗。因此，规定关闭高压注入管道之前必须达到的条件：

一当安全壳底部大气温度≥15℃时，稳压器水位＞75%；一当安全壳底部大气温度＜15℃时，稳压器水位＞100%。

因为在一般情况下安全壳底部大气温度常年在15℃以上，出于保守考虑在安全壳底部大气温度低于15℃时，通过稳压器满水来避免硼结晶，该条件保证了高压冷端注入管内的硼浓度低于5260ppm（3℃时结晶）。

主蒸汽管道破裂

当主蒸汽管道破裂后，对一回路的冷却导致反应性的上升，而安注动作将引入足够的负反应性来补偿。这种冷却，带来的是体积的减少而不是水装量的损失。由于SG破口带来的冷却所引起的收缩效应是显而易见的。因此，在A2.1和A2.2中，安注停运的准则与其它的安注工况是一样的。

8 总结

本文仅对在单一故障准则下各类安注投入的事故工况中，安注停运的条件进行了定性分析，并结合事故规程的执行，分析了各限制条件的物理意义，因本人知识结构有限，难免有些错误之处，敬请斧正。