超臨界輕水堆安全系統(tǒng)設(shè)計

1、超臨界輕水堆安全系統(tǒng)設(shè)計Yuki ISHIWATARI1, Yoshiaki OKA, Seiichi KOSHIZUKA,Akifumi YAMAJI，Jie LIU（日本東京大學(xué)）本文描述高溫超臨界壓力輕水堆(Super LWR)的安全系統(tǒng)設(shè)計概念，該堆具有向下流動的水棒。因?yàn)樵摱咽菦]有水位和冷卻劑循環(huán)的直流冷卻系統(tǒng)，所以其基本安全要求是保持堆芯的冷卻劑流量，而輕水堆(LWR)的基本安全要求則是保持冷卻劑裝量。對這種堆來說， “從冷段供給冷卻劑”和“在熱段排出冷卻劑”是必要的。直流冷卻系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)堆卸壓會導(dǎo)致堆芯冷卻劑流動并冷卻堆芯。向下流動的水棒加強(qiáng)了這種效應(yīng)，因?yàn)轫敳克液退艟拖?/p>

2、一個反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)的安注箱一樣將其水裝量供給堆芯。Super LWR 的安全系統(tǒng)設(shè)計參考了LWR的安全系統(tǒng)并考慮到它自身的特點(diǎn)和安全原則。“冷卻劑供給”由高壓輔助給水系統(tǒng)和低壓堆芯注入系統(tǒng)來保持，“冷卻劑排出”則由安全釋放閥和自動卸壓系統(tǒng)來保持。Super LWR 配備有兩套獨(dú)立的停堆系統(tǒng)：緊急停堆系統(tǒng)和備用液體控制系統(tǒng)。本研究所確定的容量和動作條件將用于安全分析中。關(guān)鍵詞：直流冷卻循環(huán)，超臨界壓力，向下流水棒，安全原則，安全系統(tǒng)設(shè)計I. 引言超臨界壓力水冷堆（SCWR）的設(shè)計概念已由東京大學(xué)進(jìn)行了研究。與輕水堆(LWR)相比，SCWR 的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)堆系統(tǒng)簡單、反應(yīng)堆和汽輪機(jī)系統(tǒng)緊湊、熱效率

3、高。典型的SCWR設(shè)計的堆芯特性與沸水堆(BWR)和壓水堆(PWR)的堆芯特性比較見表1。在超臨界壓力下不發(fā)生沸騰。由于堆芯焓升高和采用無再循環(huán)的直流循環(huán)方式，因此堆芯冷卻劑流量比LWR小得多。堆芯流量與電功率的比值大約是BWR的1/10或者PWR的1/12。SCWR 的冷卻系統(tǒng)與BWR、PWR和超臨界火電廠(FPP)的冷卻系統(tǒng)比較見圖1。SCWR采用了和FPP一樣的直流冷卻系統(tǒng)。SCWR 的安全原則不同于LWR，LWR具有冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)和水位。SCWR 的安全系統(tǒng)設(shè)計和安全分析需要考慮這些特點(diǎn)。SCWR 有高溫?zé)岫研停ǚQ為Super LWR或 SCLWR-H）和高溫快堆型（稱為SCFR-H）

4、。Super LWR 目前主要在東京大學(xué)進(jìn)行研究，其燃料組件的橫截面見圖2。因?yàn)镾uper LWR 的堆芯流量比LWR低很多，所以在燃料棒之間需考慮狹窄的間隙，以便為排熱保持高的冷卻劑流速。目前的設(shè)計間隙是1.0mm。由于堆芯上部燃料通道內(nèi)的冷卻劑密度相當(dāng)大的降低，燃料組件含有許多中子慢化用的方形水棒。這種布置是由于均勻的子通道面積可獲得均勻的慢化。采用向下流的水棒系統(tǒng)是為了達(dá)到更高的冷卻劑出口溫度，并使軸向慢化劑密度分布更加均勻。在反應(yīng)堆壓力容器（RPV）內(nèi)的冷卻劑流動見圖3。在目前的設(shè)計中，30的冷卻劑流量流到堆頂水室再向下通過控制棒導(dǎo)向管流入水棒，在底部水室與來自于下降腔的冷卻劑混合，然

5、后向上流經(jīng)燃料通道。表1 堆芯特性比較 SCWR BWR PWR壓力 (MPa) 25 7.2 15.7熱/電功率 (MW) 2,740/1,200 3,293/1,137 3,411/1,180熱效率(%) 43.8 34.5 34.6堆芯入口/出口溫度(_C) 280/500 216/286 289/325堆芯流量 (kg/s) 1,420 13,400 16,700主蒸汽流量(kg/s) 1,420 1,780 1,860堆芯流量/電功率 (kg/s/MW) 1.18 11.8 14.2主蒸汽流量/電功率 (kg/s/MW) 1.18 1.57 1.58圖1 電廠系統(tǒng)比較圖2 Super

6、 LWR（熱堆）的燃料組件圖3 在RPV內(nèi)的冷卻劑流在過去的研究中進(jìn)行過SCFR-H 的安全分析。SCFR-H采用如圖4所示的不帶水棒的稠密柵六角形燃料組件。結(jié)果表明流動異常是最重要的事件，因?yàn)樵谥苯永鋮s系統(tǒng)中“給水失流”會立即導(dǎo)致“堆芯冷卻劑失流”。在SCFR-H 的研究中，安全原則和安全系統(tǒng)設(shè)計沒有詳細(xì)考慮。因?yàn)镾uper LWR 的電廠系統(tǒng)幾乎和SCFR-H 的相同，所以SCFR-H 的瞬態(tài)和事故序列可作為Super LWR 安全分析的參考。然而，由于Super LWR 具有向下流的水棒，預(yù)期它的特性會不同于SCFR-H。許多水棒作為一個熱阱預(yù)期會緩解堆芯加熱。由于冷卻劑裝量很大的頂部水

7、室和水棒位于堆芯上游（見圖3），因此預(yù)期它們會減輕流動異常。雖然已進(jìn)行了Super LWR 的初步安全分析，但還沒有開展安全系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計。本文的目的是描述Super LWR 的安全原則和還未公布的安全系統(tǒng)設(shè)計?；诒疚牡脑诔R界壓力條件下的瞬態(tài)和事故分析在文獻(xiàn)11中描述?；诒疚牡氖鹿史治鰧⒃谙乱黄獔蟾嬷忻枋觥?圖4 SCFR-H（快堆）的燃料組件II. 安全原則直流冷卻系統(tǒng)的優(yōu)勢是卸壓可有效冷卻堆芯。卸壓期間的冷卻劑流動見圖5。啟動自動卸壓系統(tǒng)（ADS）就導(dǎo)致堆芯冷卻劑流動。向下流的水棒系統(tǒng)增強(qiáng)了這種效應(yīng)，因?yàn)樵陧敳克液退糁械牡蜏厮畬⑼ㄟ^堆芯流到ADS。圖6和圖7表示了卸壓過程的一

8、個范例，這是由Super LWR下泄分析程序計算得到的。在該計算中，兩臺給水泵在3秒時關(guān)閉，同時8個ADS中的7個打開，緊急停堆和主蒸汽閥（MSIV）信號釋放。盡管給水已失流，但卸壓期間仍然維持了堆芯冷卻劑流量。由于向下流的水棒系統(tǒng)，在卸壓期間流到堆芯的冷卻劑來源不僅是底部水室和下降腔，而且還有頂部水室和水棒，這在本研究中稱為“壓力容器內(nèi)安注箱”。堆芯冷卻劑流量隨著ADS流量而變化，后者因壓力、溫度和質(zhì)量的變化而振蕩。在ADS啟動后，反應(yīng)堆功率因流量增加而立即上升，然后由于沸騰和緊急停堆而下降。最熱的包殼溫度沒有從初始值上升，因?yàn)楣β逝c流量的比值保持了與上述的一致。在卸壓之后，衰變熱由低壓堆芯

9、注入系統(tǒng)（LPCI）帶出。圖5 卸壓期間的冷卻劑流動 圖6 卸壓特性算例（流量和功率）LWR 具有冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)，如象圖1所示的BWR的再循環(huán)系統(tǒng)和PWR 的一次系統(tǒng)。LWR 的基本安全要求是保持冷卻劑裝量，以便通過強(qiáng)迫循環(huán)或自然循環(huán)維持堆芯冷卻。保持冷卻劑裝量是通過維持BWR 的RPV 水位和PWR 穩(wěn)壓器水位來實(shí)現(xiàn)的。圖7 卸壓特性算例（壓力和包殼溫度）直流冷卻系統(tǒng)沒有冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)，在超臨界壓力運(yùn)行期間不存在水位。上面描述的卸壓特性表明，只要維持堆芯冷卻劑流量，減少冷卻劑裝量不會威脅直接冷卻系統(tǒng)的安全。對于Super LWR 來說不需要控制水裝量。Super LWR 的基本安全要求是維持

10、堆芯冷卻劑流量。因?yàn)橹绷骼鋮s系統(tǒng)具有冷卻劑入口和出口，所以堆芯冷卻劑流量依靠“保持從冷段的冷卻劑供給”和“保持在熱段的冷卻劑出口開放”來維持。對于直流冷卻的Super LWR，“給水失流”和“反應(yīng)堆冷卻劑失流”是相同的。BWR具有再循環(huán)，在RPV內(nèi)的冷卻劑裝量大。PWR有二回路系統(tǒng)，在蒸汽發(fā)生器(SG)中有大的冷卻劑裝量。因此，Super LWR 的給水比LWR更重要。在本文中，為了與LWR相區(qū)別，Super LWR 的“給水流”、“給水系統(tǒng)”和“給水泵”分別描述為“主冷卻劑流”、“主冷卻劑系統(tǒng)”和“反應(yīng)堆冷卻劑泵(RCP)”。由于是直流冷卻系統(tǒng)，因此在穩(wěn)態(tài)的主冷卻劑流量等于堆芯冷卻劑流量和主

11、蒸汽流量。III. 電廠和安全系統(tǒng)Super LWR 的電廠和安全系統(tǒng)見圖8。為了保證Super LWR 的安全，以下三個功能是重要的：（1）保持冷卻劑從冷段供給，（2）保持熱段的冷卻劑出口開放，（3）停堆。功能（1）和（2）符合“保持堆芯冷卻劑流量”的安全原則。針對這些功能設(shè)計的安全系統(tǒng)參數(shù)總結(jié)在表2中。針對這三個安全功能的電廠和安全系統(tǒng)描述如下。圖8 Super LWR 的電廠和安全系統(tǒng)1 冷卻劑供給Super LWR 有兩條主冷卻劑管線。額定運(yùn)行采用兩臺50機(jī)組容量的汽動RCP，這樣使得電廠能夠獲得比采用電動RCP 更高的凈熱效率。為了反應(yīng)堆的啟、停冷卻和汽動RCP 的備用，配備了兩臺2

12、5機(jī)組容量的電動RCP。和FPP 一樣，提供了一臺除氣器以維持RCP 的入口壓力。在RCP 不可用的情況下，冷卻劑的供給就靠安全系統(tǒng)來提供。作為主冷卻劑系統(tǒng)的備用，配備了三個系列的汽動輔助給水系統(tǒng)(AFS)。它們也具有堆芯隔離冷卻系統(tǒng)(RCIC)的功能，因?yàn)橄馚WR 的RCIC一樣，主蒸汽是從MSIV 的上游抽取的。初始水源是冷凝水貯存箱，它和BWR 的RCIC 一樣可自動地轉(zhuǎn)換到抑壓水池。應(yīng)當(dāng)注意，Super LWR 的AFS 不同于PWR 設(shè)置在二回路系統(tǒng)的AFS。單列AFS 的容量是額定流量的4，這是在超臨界壓力下考慮單一故障排出衰變熱確定的。為AFS 的備用和破管后的堆芯再淹沒提供了三

13、個系列電動LPCI。它們也具有余熱排除系統(tǒng)(RHR)的功能。與BWR一樣，水源是抑壓水池。如果失去廠外電源，則由應(yīng)急柴油發(fā)動機(jī)(E/G) 向LPCI/RHR 供電。LPCI 的容量是由考慮單一故障下大破口失水事故(LOCA)的堆芯再淹沒而確定的。目前的設(shè)計容量為每系列300kg/s，這大約是額定流量的25。單列RHR 可有效排出衰變熱。2.冷卻劑排出直流冷卻系統(tǒng)的冷卻劑排出由MSIV、主閘閥、透平控制閥和透平旁通閥保持。它們與BWR 的相類似。在熱段閥門關(guān)閉的情況下（例如透平旁通故障或MSIV 關(guān)閉后的透平跳閘），與BWR一樣，由安全釋放閥（SRV）提供冷卻劑排出并緩解壓力。SRV也有和BWR

14、 一樣的ADS 功能。Super LWR 有兩條主蒸汽管線。和ABWR 一樣，每條管線上都配置了4個SRV。SRV 的總數(shù)是ABWR 的一半，因?yàn)橹髡羝芫€的數(shù)量也是一半。在目前的設(shè)計中，在25MPa下通過單個SRV/ADS 的排泄流量是額定流量的20。3.反應(yīng)堆停堆 和BWR 一樣，Super LWR 有兩個獨(dú)立的停堆系統(tǒng)：反應(yīng)堆緊急停堆系統(tǒng)和備用液體控制系統(tǒng)（SLCS）。緊急停堆的反應(yīng)性價值由堆芯設(shè)計研究來確定，它要考慮在卡棒準(zhǔn)則的條件下滿足停堆裕量超過1dk/k。對于安全分析，要采用10dk/k。 SLCS是為備用停堆提供的。為冷停堆所需的水箱容積和硼濃度的估計與ABWR 相同。IV.

15、安全系統(tǒng)啟動1. 異常等級異常等級與安全系統(tǒng)啟動之間的關(guān)系見表3。它涉及到堆芯冷卻劑流動所需的“冷卻劑供給”和“冷卻劑出口”的功能異常。當(dāng)主冷卻劑流量等級低時，冷卻劑供給減少就會被察覺到。隨后取決于異常等級，反應(yīng)堆緊急停堆， AFS和ADS/LPCI 啟動。在等級1（90）反應(yīng)堆緊急停堆，然后在等級2（20）AFS 啟動。等級3（6）意味著衰變熱不能在超臨界壓力下排出，因此反應(yīng)堆要卸壓。當(dāng)壓力等級高時，冷卻劑出口關(guān)閉就會被察覺到。在等級1（26.0MPa）反應(yīng)堆緊急停堆，然后在等級2（26.2MPa）SRV 啟動。SRV 的定值與正常運(yùn)行壓力的比值小于ABWR, 因?yàn)樵赟uper LWR 中的

16、運(yùn)行壓力高，其堆芯壓力的相對變化量比ABWR 的更小。然而“高壓”緊急停堆定值與正常運(yùn)行壓力的比值是保守地和ABWR 的一樣，因?yàn)樵诩訅核矐B(tài)下緊急停堆不重要。當(dāng)壓力等級低時，閥門異常打開和管道破裂就會被探測到。如果壓力從超臨界降低到亞臨界，燃料棒表面將發(fā)生燒干，導(dǎo)致包殼溫度快速上升。因此，最好是避免堆芯壓力接近臨界壓力。在目前的設(shè)計中，ADS 在等級2（23.5MPa）啟動，這大約是臨界壓力（22.1MPa）的106。在快速卸壓期間，盡管發(fā)生了燒干，但由于堆芯流量大，就阻止了包殼溫度的上升（見第II章）。在壓力降低的異常情況（例如LOCA）下，由于因水密度的降低而引入了負(fù)反應(yīng)性，因此反應(yīng)堆緊急

17、停堆的時間并不重要。通常，緊急停堆信號應(yīng)該在應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)（ECCS）信號之前發(fā)出。由于這個關(guān)系，低壓緊急停堆定值是在ADS/LPCI的定值以上，目前的設(shè)計為24.0MPa。2. 緊急停堆系統(tǒng)Super LWR 的緊急停堆信號表示在圖9中。像ABWR 一樣，每個信號都采用4個獨(dú)立探測器的“4取2”邏輯。大多數(shù)信號的選取都參考了ABWR 和PWR。用于ABWR 和PWR兩種堆的信號是“壓力高”、“中子通量高”和“地震加速度大”。信號“反應(yīng)堆周期短”、“透平控制閥快速關(guān)閉”、“干井壓力高”、“MSIV關(guān)閉”和“主閘閥關(guān)閉”取自于ABWR?！爸骼鋮s劑流量低”、“壓力低”和“ECCS啟動”取自于PW

18、R。 圖9 緊急停堆信號因?yàn)橹骼鋮s劑流量對直流冷卻系統(tǒng)很重要，因此“RCP跳閘”本身就添加到了緊急停堆信號。RCP跳閘的探測假定是類似于PWR 的“RCP 轉(zhuǎn)速低。因?yàn)槭睦淠鞯匠龤馄鞯睦鋮s劑供給會由于RCP 入口壓力低導(dǎo)致RCP 延時跳閘，所以“冷凝泵跳閘”加入了緊急停堆信號，以便在RCP 跳閘前使反應(yīng)堆功率降低。當(dāng)失去場外電源時，由于透平跳閘或“冷凝泵跳閘”， 緊急停堆信號由“透平控制閥快速關(guān)閉”發(fā)出。在目前的設(shè)計中，“失去廠外電源”本身也加入到了緊急停堆信號，因此，在“失去廠外電源”瞬態(tài)下預(yù)期有三種緊急停堆信號。在目前的設(shè)計中，所有信號的停堆延時都是0.55s，這是在ABWR 設(shè)計中

19、除“水位低”（注意Super LWR 沒有水位）信號延時以外最長的延時。緊急停堆反應(yīng)性曲線見圖10。采用了和PWR 相同的曲線，因?yàn)榭刂瓢趄?qū)動機(jī)構(gòu)與PWR 從堆芯頂部插入控制棒的情況類似。反應(yīng)性絕對值大于PWR，因?yàn)镻WR 具有化學(xué)補(bǔ)償控制。Super LWR 配置了不同的緊急停堆系統(tǒng)，因?yàn)樵贜RC 的法規(guī)(10CFR 50.62)中，要求LWR 必須設(shè)計獨(dú)立于現(xiàn)有停堆系統(tǒng)（從探頭輸出到控制棒電源中斷）的緊急停堆系統(tǒng)。圖10 停堆反應(yīng)性曲線3.AFS由于AFS 的功能是在由RCP 提供的冷卻劑供給不可用的情況下保持主冷卻劑流量，因此它的啟動信號應(yīng)該由RCP 自身的異?；蛑骼鋮s劑流量減少來觸發(fā)。

20、所以，AFS 的啟動信號采用了“RCP 跳閘”和“主冷卻劑流量低等級2（20）”。“失去廠外電源”、“冷凝泵跳閘”、“透平控制閥快速關(guān)閉”、“主閘閥關(guān)閉”和“MSIV關(guān)閉”也用于AFS 信號，因?yàn)檫@些異常在延時后也會引起RCP 跳閘。參考ABWR 的汽動RCIC，確定AFS 啟動的時間序列。在ABWR 的安全分析中，RCIC 啟動的延遲時間保守地假定為30s（即在啟動信號之后30s流量達(dá)到全容量的相同值）。Super LWR 的AFS 還沒有進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。用于安全分析的啟動曲線見圖11，延遲時間取為32s。假定收到信號后的30s 內(nèi)AFS 流量為0。 圖11 AFS 啟動特性4.SRV釋放閥功

21、能（這里SRV 由外力打開和關(guān)閉）的啟動類似于ABWR，見表4。第一個開啟定值（26.2MPa）相應(yīng)于壓力高等級2。SRV 也有像ABWR 一樣的安全閥功能。當(dāng)系統(tǒng)壓力大到足以壓縮彈簧時閥門就打開。定值列在表5中。因?yàn)榘踩y的功能是釋放閥的備用，所以安全閥功能的最低定值（27.0MPa）高于釋放閥功能的最高定值（26.8MPa）。5. MSIV、ADS 和 LPCISuper LWR 的MSIV 功能和ABWR 的相同，因?yàn)檫@兩種堆都是沒有二次系統(tǒng)的直接循環(huán)。觸發(fā)信號取自于ABWR：“壓力低（等級2）”或者“失去冷凝器真空”或者“主蒸汽管線放射性高”。MSIV 的特性和ABWR 的相同，見圖12。在安全分析中，沒有考慮信號的延遲時間，這樣給出的堆芯流量更保守（更?。?。 圖12 MSIV 的關(guān)閉特性對于ABWR，ADS 執(zhí)行的功能是降低堆芯壓力，以便使冷卻劑能夠從低壓ECCS 供給?！八坏汀焙汀案删畨毫Ω摺辈捎谩芭c”邏輯得到ADS 信號，以便防止誤動。在等待低壓ECCS啟動的信號30s后ADS 啟動，因?yàn)锳DS 在沒有冷卻劑供給的情況下啟動將減少RPV 內(nèi)的冷卻劑裝量。對于Super LWR，ADS 執(zhí)行的功能是在卸壓期間促使堆芯冷卻劑流動和在堆芯由LPC/RHR冷卻期間保持冷卻劑出口。觸發(fā)