全厂断电事故中反应堆冷却剂泵轴封失效分析及应对措施

□焦森林 王连名 罗 斌

一、引言

反应堆冷却剂泵(简称主泵)是核电厂的重要设备，其主要功能是驱动高温高压的反应堆冷却剂，保证冷却剂在反应堆冷却剂系统中的循环。目前在役核电厂主泵主要为立式、单级单吸的轴封式叶片泵。

主泵的轴密封部件提供从反应堆冷却剂系统压力到环境条件的压力隔离，防止反应堆冷却剂向环境泄漏。轴密封部件主要为三级流体静压或动压机械密封，在正常运行时，每一级密封按照比例承受系统压力。

二、轴封注入失效分析

正常运行时，主泵轴密封由化学和容积控制系统(RCV)提供冷高压注入水，密封注入水进入泵腔后分两路：一路沿泵轴向下润滑和冷却泵水润滑导轴承后，流入到反应堆一回路内；另一部分沿泵轴向上依次进入第一、二、三级机械密封，以润滑和保护轴密封，经过每级密封后的泄漏均在可控泄漏流量范围内，从而实现主泵在一回路系统中的屏障。

在全厂断电SBO事故中，厂外电源不可用，厂用电也不可用，同时应急柴油发电机组也不可用。RCV系统中上充泵因失电，无法向主泵轴密封系统提供密封注入水，使一回路高温反应堆冷却剂沿泵轴向上流动，穿过水润滑导轴承，进入主泵轴密封，由于高温和其引发的热应力会损害轴密封，使反应堆冷却剂泄漏超出正常泄漏范围，从而破坏一回路边界完整性，导致出现破口事故(LOCK)。随着冷却剂持续从主泵轴封破口流出，一回路压力持续下降，堆芯水位下降，堆芯裸露，升温到失效温度后融毁[1]。

三、SBO事故中失去主泵轴封注水危险的应对措施

为应对SBO事故中失去主泵轴封注入水的风险，需对主泵密封注入相关的系统重新进行设计，以满足在SBO事故工况下提供轴封注入水，保证一回路边界的完整性。

(一)增设SBO轴封注入水泵。主泵轴封注入水由三台离心式上充泵提供，并由RCV系统收集主泵密封泄漏流[2]，另设一台往复式水压试验泵用于一回路水压试验，必要时可为主泵提供轴封注入水。上充泵和水压试验泵均由主交流电源供电，在SBO事故中无法运行。

为防止SBO事故中失效，将增设一台往复式泵作为非核级轴封注入水泵，在SBO事故工况下，操作员能在主控制室手动启动水泵，供应主泵轴封注入水，该泵至少连续运行8h。为减少厂房布置变化，此往复式泵将由400V/50Hz柴油发电机组提供动力电源[3]。整个新增设备由SBO轴封注入水泵及电动机、轴封注入水泵电装入口阀、箱式柴油发电机组、控制箱等组成，以上设备动力均由400V/50Hz柴油发电机组提供，柴油发电机组采用24DC蓄电池电启动方式，蓄电池保证至少6次启动，布置在厂址高位平台。

此方案安装快速、技术成熟，保证SBO事故工况下轴封注入水，但需柴油发电机组的运行可靠性。从1993年1月至2005年8月，秦山核电厂应急柴油发电机组失败启动1次，带载失败运行3次，可靠性系数为0.95，从中可看出柴油发电机组的运行可靠性仍存在风险。因此，此方案在极端事故工况下仍存在不可靠性。

(二)增加设备冷却水泵供电电源。美国西屋、法国热蒙、日本三菱研发的轴封式主泵均采用热屏换热器，设备冷却水通过热屏换热器冷却向上流动一回路冷却水，可保护泵轴承和轴封。法国热蒙设计的华龙一号主泵在热屏蔽内增加多个中空的不锈钢套筒，此结构能增加通过其一回路高温水的传导热阻；当轴封注入水中断、设备冷却水正常供应时，无需其它备用措施，能保证轴承和轴密封正常运行24h。

安德里兹研发的主泵设置高压冷却器，当主泵失去密封注入水、设备冷却水正常供应时，高压冷却器可作为一热阱建立自然循环流，一回路高温水可通过再循环管线，经高压冷却器中设备冷却水盘管冷却后注入轴密封，此流量较低仅可冷却轴密封。因此，对于带热屏换热器或高压冷却器的轴封式主泵，当轴封注入水中断时，保证设备冷却水正常供应，便可冷却一回路上涌高温水，可暂时冷却和润滑轴封。可考虑增加一台箱式柴油发电机组或汽轮发电机，当在SBO事故工况下时，为设备冷却水泵提供动力电源，以保证设备冷却水对热屏换热器或高压冷却器的供应，可保证主泵轴封注入水的24h用水需求。

但热屏换热器或高压冷却器中的盘管壁面不仅传递换热，还可作为分隔一回路高温水与设备冷却水系统的压力边界。如果管壁破裂，将导致设备冷却水管线破裂引起的安全壳旁通型LOCK事故[4]。在SBO事故工况下，设备环境更加恶劣，存在设备冷却水管线不可用风险，虽可通过设备冷却水上、下游阀门隔离，但阀门均需设置蓄电池供电才能动作。

(三)采用耐高温机械密封材料。在SBO事故工况下，一回路反应堆温度在300℃以上，普通机械密封材质在无轴封注入水情况下无法保证密封的完整性，可采用新材料来保证机械密封承受高温。可将普通机械密封面材料改为氮化硅，其耐干磨能力明显增强，在失去轴封注入水情况下，仍能运行一段时间，提高了密封的抗破坏能力[5]；且氮化硅能在高温下保持动、静环间隙几何形状不变形，保证密封面平行，保持密封能力。

以往机械密封O形圈材料仅能承受20h以上288℃高温，但无法满足SBO事故工况要求；新型O形圈材料已能承受300℃以上高温，配备新型O形圈的机械密封能满足在最高温度325℃、连续运行360小时，泄漏量不超过180L(图1)，满足SBO事故工况要求。

图1 SBO工况主泵轴密封泄漏情况

但应用此材料主泵轴密封为三级流体动压机械密封，三级密封按一定比例承受一回路高压，每级密封均能单独承受一回路全压；第一级密封和第二级密封的正常高压泄漏和低压泄漏由RCV系统回收，第三级密封泄漏由RPE系统管线回收，正常运行时，第三级密封泄漏几乎为零；当第三级密封失效时，造成第二级密封后正常泄漏流体通过RPE管线吸收，当RPE管线流量无法满足时，造成反应堆冷却剂泄漏。

(四)设置停车密封。为防止在SBO事故工况下主泵轴封泄漏，在原有三级机械密封基础上设置停车密封。核电用停车密封分非能动停车密封和压缩氮气驱动能动停车密封，两种密封设置位置不同。国内在役运行核电厂主泵三级机械密封目前存在流体静压型密封和流体动压型密封两种。流体静压型密封第一级密封为非接触式密封、第二、三级为断面摩擦接触式密封，第一级密封承受几乎全部一回路压力，第二级密封仅承受极小压差，仅当第一级密封失效后，第二级密封从端面摩擦接触式密封转换为流体静压密封，短时间内承受一回路压力。基于以上分析，流体静压密封最严重失效在第一级密封处，可在第一级密封后、第二级密封前设置非能动停车密封；当SBO工况下时，失去主泵轴封注入水，一回路高温水沿泵轴向上涌，通过第一级密封泄漏到达非能动停车密封，在高温下非能动停车密封可熔支承环融化，在压紧环和一回路高压下，使主密封环抱紧泵轴，实现密封[6]。此方案仅当主泵停转时投运，但在SBO工况初期，主泵失电惰走，此时非能动停车密封投运会导致直接损坏。

三级流体动压密封均为非接触式密封，按一定比例承受一回路高压，每级密封均能单独承受一回路全压，即使某一级密封失效，仍能保持整个轴封系统完整。但第三级密封失效为流体动压型密封最严重失效，需对其进行保护。可在第三级密封后设置氮气驱动能动停车密封，在SBO事故工况下，主泵停车时，可通过存储的高压氮气将停车密封移动环向上顶起，与泵轴联轴器形成密封，保证一回路介质不泄露。该密封为能动停车密封，可控制在主泵停止后投运。

四、结语

全厂断电SBO事故中，主泵失去轴封注入水后轴密封存在损坏风险，导致一回路边界破坏，引起小LOCK事故，需采取措施防护；为应对SBO事故中失去主泵轴封注入水的风险，增加SBO轴封注入水泵、增加设备冷却水泵供电电源的方案，可在全厂失电后为主泵提供应急轴封注入，但增加设备过多和改变厂房布置，使经济投入增加，且存在发电机组带载失败风险；另外，虽采用耐高温材料的机械密封可满足SBO工况下高温密封要求，但三级流体动压机械密封中第三级密封存在失效风险，需结合停车密封使用；此外，针对流体静压型密封和流体动压型密封，分别采用非能动停车密封和压缩氮气驱动能动停车密封方法，可有效防止全厂失电时主泵轴密封泄漏，但需在主泵停转后投运。