坎杜-6核电厂失电事故下重水浓度降级分析

□韩 雨

坎杜-6重水堆核电厂与轻水压水堆核电厂的主要区别在于因使用天然铀作为核燃料，要求冷却剂必须是高纯度的重水。如果重水纯度下降，轻者会影响机组运行的经济性，重者会导致堆芯不能正常临界。坎杜-6重水堆核电厂只有在失去全部三、四级电源事故下才会导致主系统重水浓度降级，本文针对该失电事故展开分析。坎杜-6重水堆核电厂四级和三级电源配置简图如图1所示。

图1 坎杜-6核电厂四级和三级电源配置简图

一、主系统重水浓度降级分析

(一)事故的主要影响。一是自动触发停堆；二是主系统失去强迫循环，由自然循环持续带走堆芯衰变热；三是主系统失去装量补充，因主系统冷却，主系统压力随之下降。当主系统压力降低到4Mpa(g)左右，高压安注系统轻水开始注入堆芯，引起主系统重水浓度的降级；四是蒸汽发生器失去主给水系统补水，自动降压逻辑触发后，应急给水系统或喷淋水箱能够提供补水；五是电厂不间断UPS电源设计上1小时后用完。因此，在其耗尽之前，需启动电厂应急电源系统，以维持堆芯衰变热的排出和重要参数的监视及控制。

(二)主系统重水浓度降级分析。

1.蒸发器降温导致主系统重水浓度降级。根据电厂失去四级和三级电源应急运行规程，事故30分钟后开始降温操作。随着蒸发器二次侧降温，主系统压力也随之下降。当主系统压力降低到4Mpa(g)左右，安注轻水就会注入主系统，从而导致其重水浓度的降级。之后，随着事故进程，主系统压力逐渐降低。根据电厂内部技术报告评估，在全厂失电事故下，主系统压力将降低到2.96Mpa(g)。

2.主系统重水浓度降级分析计算。根据热工建模的计算结果，当主系统压力为2.96Mpa(g)时，安注系统注入主系统的轻水约为25.7吨。同时由电厂重水管理系统查询结果，功率运行时机组主系统和稳压器的重水装量约147吨。假设事故下稳压器液位降低到0.8米时操纵员手动隔离后稳压器内重水装量为1吨，则重水降级计算采用主系统重水装量为146吨。假设重水和轻水均匀混合，轻水分子量取18，重水分子量取20，主系统装量146吨为纯重水，则主系统压力降低到2.96Mpa(g)时主系统重水浓度C1计算如下：

C1=N0/( N0+N1)

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

≈83.6%atm

其中：

N0为主系统正常运行装量重水的分子数;

N1主系统压力降低到2.96 Mpa(g)时高压安注系统注入主系统的轻水分子数；

Na 阿伏加德罗常数。

如果按照机组重水升级系统的升级能力或从国外应急采购新的高纯重水，再进行主系统重水装量的整体置换，保守估计核电厂需停运4个月，根据电厂每天的发电量等进行经济核算，估计经济损失在十亿元以上。

二、避免主系统重水浓度降级的策略分析

(一)策略实施准则。

1.主泵密封完整性准则。根据福岛核事故后坎杜-6重水堆核电厂全厂失电事故的分析，主泵密封失去注入流和设冷水后成为威胁主系统完整性的薄弱环节。一旦主泵密封因主系统高压高温而失效，则会造成主系统完整性破坏和重水的泄漏。根据国外技术单位的分析，在全厂失电事故下，如果蒸发器二次侧不进行降温降压，那么主系统压力将维持在大约9Mpa(g)。而主泵轴封在压力为15.5Mpa(2,250psi)和温度315℃(600℉)条件下测试8小时后能保持其完整性。

2.避免主系统重水浓度降级的主系统压力准则。根据模拟机事故验证，当主系统的压力降低到4Mpa(g)时，高压安注轻水开始注入主系统。同时，根据电厂设计文件，安注高压水箱正常水位10.1米液面标高为105.82米，主系统进出口集管标高为112.5米，假设高压安注气箱压力为高压报警值4.41Mpa(g),则事故下主系统降压至4.34Mpa(g)时高压安注轻水开始注入主系统。因此，确定避免主系统重水浓度降级的准则：事故下主系统压力能够维持大于4.4Mpa(g)。

(二)避免事故下主系统重水浓度降级的策略。事故下主系统压力值是由重水液体的容积、稳压器中重水蒸汽容积及其膨胀和汽液界面的能量和物质交换而得到。其过程遵循质量平衡方程、能量平衡方式和动量平衡方程。主系统重水液体的容积由主系统各部分不同温度的重水所决定，可以分成如下四部分：一是堆芯入口至堆芯出口部分，该部分为重水升温部分；二是堆芯出口至蒸发器入口部分，该部分为高温重水部分；三是蒸发器入口至蒸发器出口部分，该部分为重水降温部分；四是蒸发器出口至堆芯入口部分，该部分为低温重水部分。

以上四部分，由于重水温度的不同，对应的密度也不同，四部分重水容积之和得出主系统重水液体所占的容积也不同。因此，可以通过控制主系统各部分重水温度来控制主系统的压力。主系统各部分温度控制的越高，则主系统的压力也就越高，越可以避免主系统重水浓度的降级。

因此，以主泵密封完整性准则为前提，把通过蒸发器二次侧降温降压并控制在较高的压力，防止主系统压力降低至4.4Mpa(g)，作为避免主系统重水浓度降级的策略。该策略的方法是不再根据规程要求对蒸发器二次侧降压到接近大气压，而是控制蒸汽发生器二次侧降温降压后的压力。蒸汽发生器二次侧压力控制越高，其对应的饱和温度就越高，这样控制的主系统温度也就越高，越能延缓主系统压力下降的速度。

根据坎杜-6重水堆核电厂热工模型分析计算的结果，如果控制蒸汽发生器二次侧压力1.5Mpa(a)时，事故后8小时内，主系统压力能够维持在6.1Mpa(a)以上，能够保证避免安注轻水的注入而导致的主系统重水浓度的降级。控制蒸汽发生器二次侧压力1.5Mpa(a)时主系统出口集管压力变化曲线如图2所示。

图2 SG压力控制在1.5Mpa(a)时主系统出口集管压力变化曲线

三、结论和建议

(一)结论。一是失去全部三、四级电源事故将导致主系统重水浓度降低约20%，经济损失十亿人民币以上；二是控制蒸汽发生器二次侧压力1.5Mpa(a)以上，事故后8小时内，主系统压力能够维持在6.1Mpa(a)以上，能够保证避免安注轻水的注入而导致的主系统重水浓度的降级；三是策略使电厂在失去三、四级电源事故下避免主系统重水浓度降级的响应干预时间从0.5小时提升到8小时。

(二)建议。一是电厂技改保证蒸汽发生器二次侧压力1.5Mpa(a)以上的蒸发器补水能力；二是电厂技改或规程优化保证蒸汽发生器二次侧压力能够控制在1.5Mpa(a)；三是增加模拟机相应的事故场景并定期组织电厂人员演练。