华龙一号蒸汽发生器防满溢设计验证分析

郑静 顾蔚泉 郝禄禄

福建福清核电有限公司 福建福清 350318

蒸汽发生器传热管破裂事故（简称SGTR事故）是压水堆设计基准事故：一根蒸汽发生器传热管发生完全双端剪切断裂引起破损两端不可控喷放的事故，由于SGTR 发生频率相对较高，RCC-P （1991年版）将SGTR 事故从IV 类事故变成Ⅲ类事故[1]。当核电厂发生SGTR事故时，含放射性的冷却剂将通过破口进入蒸汽发生器二次侧，一旦破损蒸汽发生器出现“满溢”，将使蒸汽管道充水、易使安全阀密封损坏且放射性较高液态流出物将通过安全阀或释放阀排放到大气导致大量放射性释放[2]。

华龙一号在设计上采用了破损蒸汽发生器防满溢措施，增加事故后操纵员应对事故的时间，减少事故过程中人因失误的影响。本文将重点对华龙一号防满溢设计进行分析，首先确定主要假设和初始条件，构建计算分析模型，研究SGTR事故下蒸汽发生器满溢最恶劣工况，并与福清5-6号机组PSAR安全分析结果进行对比分析，验证华龙一号蒸汽发生器防满溢设计的有效性。

1 蒸汽发生器主要防满溢措施

防止SGTR事故下破损蒸汽发生器满溢主要考虑以下因素：减小破口流量和辅助给水流量。华龙一号防满溢设计采取以下措施：

（1）设置“蒸汽发生器水位高高叠加稳压器水位低低”信号，触发“紧急停堆”和“隔离高高水位所在蒸汽发生器的辅助给水”。

（2）采用中压安注系统，降低安注泵关闭扬程，降低了一回路向二回路泄漏量。

（3）设置反应堆冷却剂系统快速冷却功能，以使中压安注系统尽早投入运行。

（4）提高破损蒸汽发生器大气释放阀整定值，减少SGTR事故下放射性流出物释放。

（5）设置安全级蒸汽发生器排污管线。

2 分析方法及主要假设

本文采用先进的两相流热工水力程序CATHARE2V1.3L开展SGTR事故下蒸汽发生器满溢最恶劣工况分析。

2.1 运行点和初始条件

对于反应堆初始功率，5%NP工况下蒸汽发生器二次侧初始水装量较102%NP下蒸汽发生器二次侧初始水装量大，因此5%NP工况下破损蒸汽发生器更容易满溢。因此，选取初始功率为5%NP工况，并分别对不考虑丧失厂外电（工况A）和考虑丧失厂外电（工况B）两种工况进行分析。

为使给定时间内排放流出物质量最大，反应堆冷却剂系统和蒸汽发生器二次侧之间的压差必须最大，初始条件需有利于增大一、二回路压差；为了降低初始蒸汽压力，假定反应堆冷却剂初始平均温度为额定值减去最大稳态控制范围和测量误差；稳压器初始压力为额定值加上最大稳态波动和测量误差，假定SGTR事故安注系统尽快投入；稳压器初始水位考虑不确定因素引起的升高，见表1。

2.2 单一故障

对于快速和手动冷却阶段，均假设可用大气释放阀中有一个大气释放阀开启失效。

2.3 堆芯假设

堆芯功率在停堆前保持恒定，停堆后堆芯余热（B+C项）考虑1.645σ偏差。

2.4 功能假设

表1 输入参数和初始条件

蒸汽系统：假定冷凝器不能用。

安注系统：安注流量最大，相当于2台中压+2台低压安注泵运行流量。

主给水和辅助给水：主给水流量、温度，与初始功率和一回路温度相匹配。在主给水停运信号产生后，经过保守时间延迟后，主给水泵停运。假定辅助给水泵在信号发出后零延迟启动，辅助给水流量和温度取最大值。

化学容积控制系统：在操纵员干预之前，假设化容系统注入流量最大，下泄流量为最小。操纵员干预后，隔离上充流。稳压器水位低信号产生后，隔离下泄流。在事故后期，当安注泵停运后，手动恢复下泄流[3]。

2.5 控制和保护

SGTR事故发生后，蒸汽发生器水位上升到高高水位，由于P7信号，仅触发主给水泵停运，主给水流量低信号启动辅助给水泵。稳压器水位不断降低，蒸汽发生器水位高高和稳压器水位低低符合触发反应堆紧急停堆，隔离相应蒸汽发生器的辅助给水。稳压器压力低低（最小值）信号，导致中压安注投入和快速冷却开始。

2.6 操纵员动作

假设在反应堆紧急停堆后30分钟操纵员开始动作，操纵员首先观察流出蒸汽发生器的汽相剂量水平，冷凝器喷汽器或蒸汽发生器排污剂量水平，判明事故类别。根据蒸汽发生器水位上升、主给水流量下降，蒸汽发生器排污或蒸汽管线的剂量监测来确定破损蒸汽发生器。按照事故处理规程，调节破损蒸汽发生器大气释放阀整定值。通过冷却一回路系统、停中压安注和稳压器喷雾降低一回路压力来减少破损蒸汽发生器一次侧向二次侧的泄漏。

3 程序建模

3.1 建模

CATHARE2V1.3L建模包括一回路和二回路建模两部分。一回路建模包括压力容器部分和环路部分：压力容器部分包括堆芯、下腔室、下降段、上腔室和上封头等；环路模型包括热管段、稳压器波动管段、稳压器、蒸汽发生器出入口腔室、传热管束、过渡段、冷却剂泵、冷管段及破口模型等。二回路建模包括给水、给水管线、给水与循环水混合段、蒸汽发生器二次侧下降段等。

3.2 调试

开展SGTR事故发生前反应堆稳定运行状态的模拟分析，以验证事故瞬态起始点与初始工况和假设分析所确定的工况一致。

调试结果如表2所示，环路流量和堆芯旁路流量的目标值与实际值相对误差绝对值小于1%，3.1节建立的计算分析模型可用于SGTR事故分析。

表2 建模调试结果

3.3 计算结果

采用蒸汽发生器防满溢主要措施后，SGTR事故下工况A和工况B事件序列如表3所示。SGTR事故发生后，在触发反应堆保护信号前，破损蒸汽发生器水位快速上升。破损蒸汽发生器出现水位高高信号触发主给水泵停运，主给水流量低信号触发辅助给水泵启动。蒸汽发生器水位高高和稳压器水位低低符合触发紧急停堆，随之汽轮机跳机，并隔离破损蒸汽发生器辅助给水，随后稳压器压力低低信号产生，安注启动和快速冷却开始。

表3 SGTR事件序列

图1 破损SG汽水分离器底部以上水位（工况A）

图2 破损SG汽水分离器底部以上水位（工况B）

图3 破损SG汽水分离器底部以上水位

由图1-2可知，工况B破口流量在破口出现后 2.10h 终止，工况B破损蒸汽发生器汽水分离器底部以上水位值比工况A水位值高，工况B为蒸汽发生器满溢最恶劣工况。由图4可知，在蒸汽发生器满溢最恶劣工况下，破损蒸汽发生器汽水分离器底部以上水位值为 5.08m＜6m，未发生满溢。

图3为PSAR中SGTR事故下蒸汽发生器满溢最恶劣工况分析结果，破损蒸汽发生器汽水分离器底部以上水位远低于蒸汽发生器顶部，未发生满溢。

以上分析结果显示，本文对SGTR事故下蒸汽发生器满溢最恶劣工况分析结果与PSAR安全分析结果一致，由此可验证华龙一号蒸汽发生器防满溢设计是有效的。

本文针对华龙一号机组防满溢措施，基于合理方法和主要假设采用CATHARE2V1.3L，研究了破损蒸汽发生器满溢最恶劣工况，并与PSA结果进行对比，得出以下结论：①SGTR事故考虑丧失厂外电工况下蒸汽发生器更易发生满溢，为蒸汽发生器满溢最恶劣工况；②在蒸汽发生器满溢最恶劣工况下，破损蒸汽发生器汽水分离器底部以上水位低于破损蒸汽发生器顶部，未发生满溢；③华龙一号机组蒸汽发生器防满溢措施是有效的，合理可行。