AP1000蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂的事故講解

1、15.6.3 AP1000蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂的事故分析（SGTR:Steam Generator Tube Rupture）1 事故起源及過程1.1 事故過程本事故分析假設單根蒸汽發(fā)生器管道發(fā)生完全斷裂，并且發(fā)生破裂時冷卻劑已被破損燃料元件泄露的裂變產(chǎn)物所污染。由于一回路系統(tǒng)的具有放射性的冷卻劑泄露，導致二回路污染程度增大。在廠外電力喪失或冷凝器蒸汽排放系統(tǒng)故障時，通過蒸汽發(fā)生器電動卸壓閥或安全閥，將向大氣釋放放射性。對蒸汽發(fā)生器內(nèi)換熱管的完全斷裂假設是一個保守假設，因為實際上換熱管材料（690不銹鋼）具有抗腐蝕性和一定塑形變形能力。換熱管更可能的故障模式是更小的破損或不明原因產(chǎn)生的破損。二

2、回路的放射性活度是被實時監(jiān)測的，放射性泄露的積累量是不允許超過技術指導書規(guī)定的整定值的。AP1000能對SGTR采取自動保護措施，從而緩輕事故后果。這些保護措施包括：停堆、啟動非能動余熱排出系統(tǒng)(PRHR)、啟動堆芯注水系統(tǒng)、關閉穩(wěn)壓器中的加熱器、以及切斷化容控制系統(tǒng)流量和使蒸汽發(fā)生器保持高-2水位或高水位的給水流量。采用保護措施后，冷卻劑系統(tǒng)將自動冷卻及降壓，阻斷泄露及蒸汽釋放，使冷卻劑系統(tǒng)長時間保持在穩(wěn)定狀態(tài)。這些保護系統(tǒng)能夠避免蒸汽發(fā)生器被液態(tài)水充滿，使得廠外劑量保持在允許值以下。操作員也可以采取其他措施使SGTR后果更快地減緩。下面將介紹一系列警報系統(tǒng)，操作員可根據(jù)警報快速識別SGTR

3、的發(fā)生，確定以及隔離破損的蒸汽發(fā)生器，完成需要的應對動作以穩(wěn)定系統(tǒng)狀態(tài)及切斷一二回路間的泄露。恢復動作需要在一定時間限度內(nèi)完成，才能在蒸汽發(fā)生器充滿之前、廠外劑量在限值以下而且不觸發(fā)ADS的情況下，完成對泄露的切斷。這需要一些指示和控制系統(tǒng)幫助操作員實現(xiàn)這些功能。1.2 蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂的事件序列 在SGTR發(fā)生后將發(fā)生下列事件：l 穩(wěn)壓器低壓警報觸發(fā)，為了保持壓力，化容控制系統(tǒng)補水和穩(wěn)壓器加熱裝置啟動。另一方面，主給水系統(tǒng)向受影響的蒸汽發(fā)生器的給水量將減小，因為一二回路間的破口流量將增高該蒸汽發(fā)生器的水位。l 二回路系統(tǒng)的放射性由凝汽器排氣裝置和蒸汽發(fā)生器排污裝置的放射性監(jiān)測器，及主蒸汽

4、管道的放射性監(jiān)測警報器共同監(jiān)測。l 主冷卻劑持續(xù)喪失將導致產(chǎn)生穩(wěn)壓器低壓或超溫信號，從而導致停堆。停堆后，SGTR將導致主冷卻劑和穩(wěn)壓器壓力降低，這可以由化容控制系統(tǒng)提供的流量和穩(wěn)壓器加熱器共同抵消。穩(wěn)壓器低壓或低-2壓力水平將觸發(fā)安全保護信號（“S”信號），該信號進而啟動堆芯補水箱和PRHR換熱器?！癝”信號自動切斷正常給水，并使主泵停止運轉。同時穩(wěn)壓器加熱器的電源也被切斷。當蒸汽發(fā)生器處于低水位時，啟堆給水系統(tǒng)將被啟動，進而使水位達到計劃水平。l 停堆的同時也使汽輪機停止運轉，若廠外電力可用，蒸汽卸壓閥將把蒸汽排放進冷凝器。但若廠外電源失去或冷凝器失效，蒸汽卸壓閥將關閉以保護冷凝器。蒸汽發(fā)

5、生器壓力將急劇上升，導致蒸汽通過電動卸壓閥或安全閥排放進入大氣。l 采取停堆措施及補水箱和PRHR啟動后，PRHR換熱器啟動，同時投入啟堆給水流量、加硼補水流量及化容控制系統(tǒng)流量。換熱器將帶走衰變熱。這減小了蒸汽發(fā)生器的蒸汽產(chǎn)量和旁通排入冷凝器的蒸汽量。即使失去廠外電源，也能減少向大氣排放的蒸汽量。l 化容控制系統(tǒng)的注水和堆芯補水能夠使冷卻劑壓力和穩(wěn)壓器水位保持穩(wěn)定，冷卻劑的注入速率和泄露速率相等，從而使冷卻劑系統(tǒng)壓力趨于一個平衡值。1.3 蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂故障的自動應對動作AP1000采用了多套保護系統(tǒng)和非能動設計，即使是操作員沒能采取應對措施，這也能夠自動終止換熱管處的泄漏及穩(wěn)定冷卻劑

6、壓力。SGTR后化容控制系統(tǒng)的注水（若壓力控制系統(tǒng)允許還將有穩(wěn)壓器的加熱器工作）能夠使一二回路間的泄露保持穩(wěn)定，隨著泄露量的累積，出現(xiàn)故障的蒸汽發(fā)生器的二回路側水位也將上升。最終，該水位將達到高和高-2水位整定值，此時的水位已經(jīng)接近最高水位。AP1000保護系統(tǒng)提供了幾套自動安全措施，以實現(xiàn)冷卻劑系統(tǒng)的冷卻和減壓，終止泄漏流量和向大氣的釋放，從而保證冷卻劑系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。安全措施包括了PRHR換熱器，停止化容控制系統(tǒng)水泵、穩(wěn)壓器的加熱器和啟堆給水泵。另外，保護和安全監(jiān)測系統(tǒng)提供了安全信號以切斷冗余的、及安全不相關的穩(wěn)壓器加熱器開關。PRHR換熱器將堆芯余熱傳遞到堆內(nèi)儲水箱(IRWST) ，同

7、時啟動堆芯冷卻系統(tǒng)（同時伴隨著壓力的降低）。關閉化容控制系統(tǒng)的水泵和穩(wěn)壓器的加熱器，將削弱主回路系統(tǒng)的增壓能力。這使得主回路及二回路的壓力 達到平衡，從而有效地切斷一二回路間的泄漏。因為在關閉化容控制系統(tǒng)水泵后，補水箱將源源不斷向堆芯注入含硼水，所以關閉化容控制系統(tǒng)水泵并不會帶來不利安全影響。關閉啟堆給水能夠保護啟堆給水系統(tǒng)不受損傷，但這也間接地導致故障蒸汽發(fā)生器被水充滿。隨著PRHR換熱器不斷帶走衰變熱，蒸汽發(fā)生器的蒸汽不再通過電動卸壓閥排放，其水位則保持在第2水位。1.4 蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂故障的操作員應對動作在SGTR故障中，操作員能診斷某種故障并采取應對措施，穩(wěn)住局面，切斷一回路向二

8、回路的泄漏，在觸發(fā)自動保護系統(tǒng)前按計劃停堆。在應急操作程序里列出了SGTR事故中操作員采取的動作清單。動作清單如下：l 識別發(fā)生故障的蒸汽發(fā)生器識別的依據(jù)：蒸汽發(fā)生器水位急劇上升，任何一處主蒸汽管道、蒸汽發(fā)生器排放管道或蒸汽發(fā)生器取樣樣本監(jiān)測到高放射性。l 隔離故障蒸汽發(fā)生器一旦識別出故障蒸汽發(fā)生器，應對措施的首要任務則是隔離其產(chǎn)生的蒸汽和切斷給其的給水。l 投入還完好的蒸汽發(fā)生器或PRHR系統(tǒng)實現(xiàn)堆芯冷卻在隔離了故障蒸汽發(fā)生器后，要盡可能快地進行主冷卻劑系統(tǒng)的冷卻，以避免達到蒸汽發(fā)生器對應壓力下的飽和溫度而出現(xiàn)劇烈沸騰。這在主冷卻劑系統(tǒng)的壓力降低到破損蒸汽發(fā)生器的壓力時，對主冷卻劑提供了足夠

9、的過冷度。l 對主冷卻劑系統(tǒng)降壓以保證冷卻劑裝量完成冷卻任務后，化容控制系統(tǒng)和堆芯補水箱的注水將提高冷卻劑系統(tǒng)壓力，直到泄漏流量等于注入流量。接著，這些流量必須被停止或控制以使一二回路間的泄漏停止。然而，前提是冷卻劑裝量必須充足。其包括充足的過冷冷卻劑和穩(wěn)壓器裝量，這將在注水停止以后使穩(wěn)壓器水位仍然保持在正常水平。因為在注水結束以后主回路側的泄漏是仍然在進行的，直到冷卻劑系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)壓力達到平衡后才停止。達到平衡后，主冷卻劑系統(tǒng)需要降壓以保證裝量充足以及穩(wěn)壓器水位正常。l 關閉注水以使一二回路間泄漏停止之前采取的措施已經(jīng)使冷卻劑處于過冷狀態(tài)，投入了二回路側排熱器，保證了充足的冷卻劑裝量

10、，所以不再需要注水。當這些動作完成后，堆芯補水箱和化容控制系統(tǒng)將關閉，以使泄漏停止。當一二回路壓力平衡后泄露即停止。然后，通過對化容控制系統(tǒng)、穩(wěn)壓器、其他完好蒸汽發(fā)生器的余熱排出系統(tǒng)及PRHR換熱器的控制，可防止冷卻劑系統(tǒng)的壓力反彈和泄漏的再次發(fā)生。注水關閉以后，電站狀況穩(wěn)定下來，泄露也停止。這時，操作員需要采取一系列動作以為冷停堆做準備。至于采取什么動作，需依據(jù)電廠還可用的系統(tǒng)的情況、長遠的維修和運行計劃而決定。2 事故后果分析SGTR事故導致被污染的冷卻劑進入二回路，從而導致部分放射性泄漏進入大氣。下面的分析將證明，SGTR導致的廠外放射性后果是在指導書的允許范圍內(nèi)的。對SGTR的一個擔心

11、的問題是，蒸汽發(fā)生器可能被液態(tài)水充滿，因為這將導致廠外放射性后果嚴重得多。AP1000的設計具有自動保護和非能動特性，所以能夠在SGTR事故時自動阻斷泄露并防止蒸汽發(fā)生器被充滿。這些特性包括一下方面：PRHR系統(tǒng)的觸發(fā)、化容控制系統(tǒng)流量的切斷和啟堆給水系統(tǒng)的隔離。下面的分析中，假設操作員并沒有采取隔離故障蒸汽發(fā)生器和冷卻減壓冷卻劑系統(tǒng)的動作。分析體現(xiàn)了AP1000具有抵御蒸汽發(fā)生器充滿的能力。在對充滿情況的分析中，假定限定的單一故障為當蒸汽發(fā)生器水位達到整定值時啟堆給水控制系統(tǒng)的閥門失效。除此以外還作了一些其他的保守假設。這份分析展示了AP1000保護系統(tǒng)和非能動設計的有效性，可得出結論：SG

12、TR并不會導致蒸汽發(fā)生器被充滿。為了對廠外放射性后果進行確定也做一個分析，該分析假定了及廠外劑量相關的限定單一故障和限定初始條件。由于AP1000不會發(fā)生蒸汽發(fā)生器充滿的情況，所以該分析給出的結果是限定的放射性后果。此外還做了一份熱工水力分析，該分析可確定工廠對設計基準事故SGTR作出的響應，完整的一二回路間泄漏情況，破口處泄露情況，以及完好蒸汽發(fā)生器向冷凝器和大氣的排放情況。這些數(shù)據(jù)后來被用于計算釋放到大氣的放射性和放射性后果。2.1 分析工具2.1.1 計算程序從SGTR事故發(fā)生直到一二回路間泄露停止的過程中，工廠響應分析使用的程序是LOFTTR2。該程序經(jīng)調整后能夠模擬AP1000的PR

13、HR系統(tǒng)、堆芯補水箱和保護系統(tǒng)。2.1.2 分析假設模擬的事故是假設位于蒸汽發(fā)生器管板出口側（冷側）的傳熱管發(fā)生雙端斷裂。之所以選擇斷裂位置在冷側，是因為相比及熱側，冷側會造成更大的泄露。假定發(fā)生故障時反應堆正處于滿功率運行，而且二次側裝量假定為標稱裝量減去誤差量。假定廠外電源喪失，而且事故一開始控制棒就插入，因為若主泵持續(xù)運行將降低泄漏量從而降低釋放到廠外的放射性劑量。假定能夠立刻投入最大的化容控制系統(tǒng)流量和穩(wěn)壓器加熱器的供熱量（即使失去了廠外電源），從而使得泄漏量最大化。假設蒸汽排放系統(tǒng)和廠外電源一同都失效，因為這樣會導致停堆后蒸汽從電動卸壓閥泄漏到大氣。化容控制系統(tǒng)和穩(wěn)壓器的建模也采取保

14、守假設，從穩(wěn)壓器向保護系統(tǒng)發(fā)出的低壓報警信號被假定為存在延遲。單一故障假設為故障蒸汽發(fā)生器的電動泄壓閥發(fā)生失效。該閥門的失效導致蒸汽發(fā)生器出現(xiàn)無法控制的降壓狀況，這將增加一二回路間泄漏量和向大氣的排放量。假定在穩(wěn)壓器發(fā)出低壓警報信號后，故障蒸汽發(fā)生器的電動泄壓閥開啟失敗。這將導致泄露量的最大化。當一個閥門接收到蒸汽管道壓力保護信號時，會自動關閉，從而實現(xiàn)對相關閥門的隔離。在特定分析中并沒有考慮操作員的動作，而是認為工廠的保護由保護系統(tǒng)提供。不考慮操作員動作是一種保守假設，因為需要操作員有足夠的時間來應對事件，而且操作員的動作只是自動保護系統(tǒng)的一個補充。有一點不得不提，即操作員需要在蒸汽發(fā)生器達

15、到高水位之前就降低主回路壓力。另外，在切斷通向故障蒸汽發(fā)生器的閥門這件事上，操作員是有能力比自動保護系統(tǒng)更快完成的。通過觀察蒸汽發(fā)生器的急劇降壓蒸汽產(chǎn)量增大的現(xiàn)象，操作員可以診斷出電動卸壓閥的失效。然后，操作員可以在控制臺關閉該閥門。假設失去廠外電源，主給水泵功率出現(xiàn)滑坡，另外還假定啟堆給水也喪失，這樣就能偏保守地假定蒸汽發(fā)生器二回路側裝量為最小，造成最大的二回路放射性和蒸汽泄漏。2.1.3 分析結果事故序列見表15.6.3-1。對SGTR故障的系統(tǒng)響應見圖 15.6.3-1到圖15.6.3-10。表15.6.3-1 蒸汽發(fā)生器換熱管破裂事故的事件序列事件時間/s蒸汽發(fā)生器傳熱管雙端剪切斷裂0

16、廠外電源喪失0停堆0主泵和主給水泵停止工作出現(xiàn)功率滑坡0兩個化容控制系統(tǒng)水泵和穩(wěn)壓器加熱裝置啟動0產(chǎn)生穩(wěn)壓器低水位警報信號2498故障蒸汽發(fā)生器的電動泄壓閥開啟失敗2498啟動堆芯補水箱注水和PRHR（考慮最大延遲的情況）2515產(chǎn)生蒸汽管道低壓信號后，故障蒸汽發(fā)生器電動卸壓閥的斷流閥關閉2979蒸汽發(fā)生器達到高水位后切斷化容控制系統(tǒng)12541泄漏結束24100圖15.6.3-1圖15.6.3-2圖15.6.3-3圖15.6.3-4圖15.6.3-5圖15.6.3-6圖15.6.3-7圖15.6.3-8圖15.6.3-9圖15.6.3-10假定廠外電源的喪失及傳熱管破裂同時發(fā)生。由于失去廠外電

17、源所以造成停堆。停堆后主給水泵功率出現(xiàn)滑坡。保守性地假設啟堆給水泵不能啟動。傳熱管破裂后出現(xiàn)冷卻劑喪失，如圖 15.6.3-1和15.6.3-2所示冷卻劑壓力降低。降壓后兩個化容控制系統(tǒng)水泵自動啟動提供補水，穩(wěn)壓器加熱器開啟。停堆后，堆芯熱功率快速降低到衰變熱水平，堆芯冷卻劑進出口溫差也隨之降低。汽輪機截止閥關閉，從而停止向其供應蒸汽。假設蒸汽排放閥失效。如圖15.6.3-3所示，蒸汽發(fā)生器二次側壓力將升高，直到其電動卸壓閥打開才停止。穩(wěn)壓器提供的最大加熱量將使主回路系統(tǒng)壓力升高。隨著冷卻劑的喪失，將達到穩(wěn)壓器低水位，及觸發(fā)補水箱和PRHR信號。關閉穩(wěn)壓器的加熱功率，避免加熱造成壓力反彈。假定

18、此時蒸汽發(fā)生器的卸壓閥未能開啟，這導致了蒸汽發(fā)生器壓力急劇上升（如圖15.6.3-3所示）。因此一二回路間泄露增加，冷卻劑溫降低。之所以故障和完好的蒸汽發(fā)生器都降壓是因為這些蒸汽發(fā)生器是通過蒸汽管道連接在一起的。冷卻劑溫度的降低致使其壓力降低(如圖15.6.3-115.6.3-2所示)。一二回路的壓力都持續(xù)降低，直到達最低蒸汽壓力整定值才停止。因此，蒸汽管道隔離閥和所有蒸汽發(fā)生器泄壓閥都需要處于關閉狀態(tài)。斷流閥關閉后，隨著泄漏的積累，一二回路壓力和故障蒸汽發(fā)生器二次側水裝量都增加。當化容控制系統(tǒng)和啟堆給水系統(tǒng)被切斷后，這種增加一直持續(xù)，直到蒸汽發(fā)生器二次側水位達到高水位才停止。隨著堆芯冷卻劑溫

19、度和壓力降低，最終其壓力及二回路壓力達到平衡。如圖15.6.3-5所示，泄漏停止，系統(tǒng)穩(wěn)定在安全狀態(tài)。如圖15.6.3-8所示，PRHR啟動后在完好蒸汽發(fā)生器并沒有發(fā)生蒸汽泄漏，因為PRHR是有能力移出衰變余熱的。如圖15.6.3-9所示，補水箱流量趨近于0，這是因為回路管道內(nèi)的持續(xù)流動使得補水箱溫度和冷卻劑溫度基本相同，從而達到平衡狀態(tài)。補水箱仍然水裝量充足，ADS也并未啟動。故障蒸汽發(fā)生器的水裝量如圖15.6.3-6所示。事故后等到泄漏停止時，蒸汽發(fā)生器的水裝量相比及其總量 8868 ft3將大大減少?？梢夾P1000基于SGTR的設計能夠避免造成堆芯融毀。在SGTR故障中，由于位于傳熱管

20、的泄漏導致了冷卻劑壓力降低。而壓力的降低導致偏離泡核沸騰比DNBR的降低。相比于堆芯冷卻劑系統(tǒng)降壓事故而言，SGTR事故中降壓的速率小得多。一旦停堆后，DNBR就會迅速提高，因此SGTR事故和冷卻劑系統(tǒng)降壓事故一樣，都不會造成堆芯融毀。2.1.4 物質釋放對SGTR事故造成的放射性物質釋放的研究，主要用來估計隔離區(qū)域以外和人口稀疏地區(qū)的放射性。 可用LOFTTR2分析從事故開端到泄漏終止整個過程中的蒸汽泄漏量。停堆后，放射性蒸汽通過蒸汽發(fā)生器的電動泄壓閥（以及短時間內(nèi)的蒸汽發(fā)生器安全閥）釋放到大氣中。直到滿足RNS條件后釋放才停止。SGTR事故中總的物質釋放量如表15.6.3-2所示。表15.

21、6.3-2 SGTR事故中物質釋放結果（從事故初始到冷卻達RNS狀態(tài)）事故初始到泄漏終止/磅泄漏終止到RHR啟動/磅故障蒸汽發(fā)生器至大氣238,60093,200完好蒸汽發(fā)生器至大氣183,400 1,234,900泄漏流量385,000 0注：RNS：正常的余熱排出系統(tǒng)3 事故的放射性后果在估計SGTR的放射性后果是作了兩個假設，一是認為部分燃料元件存在缺陷（0.25%的能量是由包殼有缺陷的燃料棒產(chǎn)生的），二是認為傳熱管破損導致二回路放射性增加。破損出現(xiàn)后，帶放射性的惰性氣體從主回路經(jīng)過破口進入二回路，再直接排放到外部環(huán)境。帶放射性的碘和堿金屬進入二次側后也可能被釋放出去。其實，除了破損回路

22、的放射性釋放外，完好回路里也是存在一小部分放射性釋放的。3.1 放射性來源SGTR事故中釋放的放射性核素最重要的是惰性氣體、堿金屬和碘，他們通過空氣擴散到環(huán)境中去。本文分析考慮了2種碘來源，且這二者都及碘濃度上升現(xiàn)象有關。其中一種情況是，認為最開始碘的濃度是及冷卻劑中碘活度限值有關的。認為碘濃度上升的現(xiàn)象是由于冷卻劑中碘水平上升造成的。另一種情況是認為在事故之前即存在碘濃度上升現(xiàn)象，當故障發(fā)生時出現(xiàn)碘濃度的最大值。惰性氣體和堿金屬的濃度則被認為及燃料元件存在缺陷的嚴重程度有關。二回路惰性氣體和堿金屬的濃度則被認為是其在冷卻劑平衡濃度的最大值的10%。3.2 釋放途徑冷卻劑中的放射性氣體通過破損傳熱管進入故障和完好的蒸汽發(fā)生器，只要存在從蒸汽發(fā)生器進入外部環(huán)境的途徑，放射性就會立刻釋放。在惰性氣體和堿金屬釋放的建模中設定了如下3種組分：l 完好回路的蒸汽，有惰性氣體和堿金屬的參及。l 破損回路的蒸汽，有惰性氣體和堿金屬的參及。l 由破損回路釋放的未過濾的閃蒸冷卻劑。在釋放到環(huán)境中后，便不再考慮放射性衰變和碘在廠外傳播過程中