事故工况下堆芯冷却控制功能分析

李连海

（江苏核电有限公司，江苏连云港 222042）

1 征兆导向事故规程的运行功能

在正常运行工况下，操纵员应严格遵守运行技术规范。当机组运行状态偏离正常运行工况时，操纵员必须通过执行事故规程将反应堆带到安全状态。在事故情况下可能会出现操纵员的人为错误，或者是非单一设计基准事故，即叠加事件。具体到处于事件或者事故工况下的核电站，关注对象以核蒸汽供应系统（如主回路、蒸汽发生器）、安全壳和相关系统为主。核电站事故后运行包括以下3 个方面：

（1）过渡到退防模式，这是事故处理的总目标，以限制放射性释放或限制机组恶化的风险。

（2）遵守安全要求，优先保护反应堆堆芯和安全壳。

（3）尽可能避免损坏发电生产设备，这是非优先要求。

因此，征兆导向法规程中设计了相应的控制策略，并应用于达成此目标。应用于过渡到退防模式及事故或事故工况下的控制策略一般分解为3 部分。

（1）观察、监视发生的事情。辨别或诊断机组的物理状态。

（2）作出应对决策，确定功能目标。

（3）确定具体行动，使用可用的手段或系统进行操作，以达到功能目标。具体地，征兆导向法采用六大安全功能表征核电站事故后机组状态。也就是通过六大安全功能来“观察、诊断、辨别”机组总的状态（表1）。

表1 关键安全功能与多道屏障的关系

每个安全功能都对应一个功能目标，即安全控制功能。主要指作出“决策”、恢复或维持每个安全功能在安全水平内。功能目标的控制，根据六大安全功能测量参数的偏离情况选取。为避免恢复不同状态时产生冲突，需要确定六大安全功能参数的控制具有不同的优先级。

最后的控制功能是“行动”，即功能目标控制的具体操作方法。为了将机组带到安全状态，首先使用的是最有效的操作手段（也是最常规的手段）。如果优先手段不可用，将使用替补手段（如正常喷淋不可用，则使用辅助喷淋）。征兆导向法规程总是按照有效性、使用方便性和常用性，以及引起的代价，决定各操作措施的使用顺序。因此，机组运行状态越恶化，所采取的措施也就越强硬。

2 堆芯冷却控制功能分析

对于一回路而言，其关注的状态参数为次临界度（核功率）、一回路压力和温度（一回路饱和裕度）以及一回路水装量。在事故处理过程中，堆芯冷却根据事故分析区分为不同状态。因此，在不同状态中确定不同的安全功能目标优先级，并由此对应一个控制功能。目前堆芯冷却控制功能如下。

通过测量堆芯出口温度和过冷度，转向不同的堆芯冷却恢复导则：①堆芯冷却恶化响应；②堆芯冷却不足响应；③堆芯冷却饱和响应。

2.1 堆芯冷却恶化响应控制功能

2.1.1 控制功能概述

堆芯冷却不足主要是由于一回路冷却剂装量减少或堆芯部分裸露。余热排出能力不足情况下，衰变热将导致燃料温度上升，最终导致燃料损坏。为避免上述情况，应尽快恢复堆芯冷却。

安注是恢复堆芯淹没的最有效手段。如果不能建立安注流量，或不能有效恢复堆芯淹没，操纵员采取措施，降低一回路压力，以使中压安注箱注入以及低压安注系统注入。降低一回路压力的实现方式包括二次侧蒸汽发生器降温降压、稳压器安全阀开启等。另外，恢复堆芯冷却的措施未起到预期效果时，可重启主泵，实现暂时的堆芯冷却。

2.1.2 堆芯冷却恶化响应控制要点

当堆芯出口温度大于650 ℃时，进入堆芯冷却恶化响应。根据堆芯冷却恶化响应恢复/重建策略的目标，主要操作包括以下3 个。

（1）建立向反应堆冷却剂系统注水的安注。安注相关阀门位置应正确，安注泵已启动，并核实通过安注管线向反应堆冷却剂系统的注入流量。通过核实堆芯出口温度以及压力容器水位，以确定通过安注恢复堆芯冷却及压力容器水装量的效果。

（2）二次侧快速降压。操纵员必须快速对反应堆冷却剂系统降温降压，可通过在保证维持蒸汽发生器足够给水流量的同时，通过汽轮机旁排系统，或打开大气释放阀降温。在一回路系统压力下降到1.5 MPa 时，或是安注箱水位接近排空时安注箱必须隔离。持续进行一回路系统快速降温降压，直至达到低压安注压头。通过一回路压力、堆芯出口温度及压力容器水位指示来反馈堆芯冷却和压力容器水装量。

（3）重启主泵或打开稳压器安全阀。通过投运主泵，形成两相强迫流动经过堆芯，暂时冷却堆芯。如果主泵能够持续运行且有可用的热阱，即使单相蒸汽的强迫流动有时也能冷却堆芯。

需要注意的是，由于在执行该策略的过程中，安全壳内氢气浓度可能升高，当氢气体积浓度超过3.5%时，要求操纵员及时与技术支持中心人员沟通并采取措施。

2.2 堆芯冷却不足响应控制功能

2.2.1 控制功能概述

堆芯冷却不足响应用于应对由于一回路冷却剂丧失而导致的堆芯冷却不足。当主泵未运行时，堆芯冷却不足的表现为堆芯部分裸露。如果主泵在运行，堆芯存在进一步恶化的可能，需要停运主泵。上述工况下均要求操纵员恢复主系统水装量。

恢复安注是恢复主系统水装量和堆芯冷却的最有效手段。如果不能建立中压安注或不能有效恢复堆芯冷却，则要求操纵员采取措施，降低主系统压力以使中压安注箱和低压安注注入。主系统降压通过二次侧降压实现，二次侧降压的同时应注意避免一次侧过快的冷却，导致热冲击等问题。

2.2.2 堆芯冷却不足响应控制要点

当堆芯出口温度低于650 ℃，且堆芯出口过冷度高于20 ℃时，如果堆芯出口温度在362～650 ℃，进入堆芯冷却不足响应。根据堆芯冷却不足响应恢复/重建的目标，其主要操作包括以下两个。

（1）建立向反应堆冷却剂系统注水的安注。应确定安注相关阀门位置正确，安注泵已启动，并核实通过安注管线向反应堆冷却剂系统注入流量。通过核实堆芯出口温度以及压力容器水位，以确定通过安注恢复堆芯冷却及压力容器水装量的效果。

（2）二次侧快速降压。操纵员必须快速对反应堆冷却剂系统降温降压，在保证维持蒸汽发生器足够给水流量时，可通过蒸汽旁排大气或旁排冷凝器，来实现对反应堆冷却剂系统的冷却降温。在一回路系统压力下降到1.5 MPa（g）时，或安注箱水位接近排空时，必须隔离安注箱。持续进行一回路系统快速降温降压，直至达到低压安注压头。通过堆芯出口温度及压力容器水位指示反馈安注箱和/或低压安注恢复堆芯冷却和压力容器水装量的效果。

2.3 堆芯冷却饱和响应控制功能

2.3.1 控制功能概述

堆芯冷却饱和响应用于应对由于不同原因而导致的堆芯冷却饱和工况。饱和状态的堆芯意味着堆芯冷却已经很危险，在该工况下，应该采用合适的操作，防止堆芯冷却进一步恶化。

重点关注当主回路系统由于丧失水装量而导致堆芯冷却接近饱和。在补水不足情况下，持续下降的水装量将导致堆芯出现裸露。本策略重点关注该工况。操纵员启动安注并核实是否存在主回路开口，导致主回路水装量的减少。

堆芯饱和有可能是由于丧失二次侧热阱，或丧失余排系统。这两种工况都会导致主回路温度的上升。在触发本策略对应的黄灯工况前，丧失二次侧热阱会先触发关键安全功能状态树红灯工况。对于丧失余热排出，则要求执行余热排出系统故障规程。

2.3.2 堆芯冷却饱和响应控制要点

当堆芯出口温度低于650 ℃，且堆芯出口过冷度高于20 ℃时，如果堆芯出口温度低于362 ℃，进入堆芯冷却饱和响应。根据堆芯冷却饱和响应恢复/重建的目标，其主要操作有以下两个。

（1）建立向反应堆冷却剂系统注水的安注，以维持RCP 的过冷度。操纵员必须将安注阀门状态配置正确，启动安注泵，并核实安注向RCP 注入的流量。

（2）核实RCP 的排放途径。操纵员必须关闭或隔离任何开启的稳压器安全阀，或任何其他RCP 排放途径。

3 结论

（1）事故情况下堆芯冷却存在冷却恶化、冷却不足和冷却饱和等3 种工况，需要识别和采取必要控制方法予以缓解。

（2）研究采取的控制手段要点明确，方法有效，对于确保机组安全作用明显。

（3）征兆导向事故规程控制策略的3 个关键步骤，对于事故响应正确有效。