49-2游泳池式反应堆一回路非能动破坏虹吸功能的建立

张亚东，杨 笑，郭 玥，王占文，岳芷莛

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

49-2游泳池式反应堆一回路非能动破坏虹吸功能的建立

张亚东，杨 笑，郭 玥，王占文，岳芷莛

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

2013年49-2游泳池式反应堆增加了一回路非能动破坏虹吸功能，以弥补手动破坏虹吸阀门在特殊情况下不能打开的不足。在改造前，分别计算了在不同孔径的虹吸破坏孔下一回路正常运行时的漏流和事故情况下虹吸破坏能力。根据计算结果，在堆水池内一次水管道6.5m高处打了一个1.6cm直径的孔作为非能动破坏虹吸孔。验证表明，新增的非能动破坏虹吸孔即不影响反应堆的正常运行，也具备了破坏虹吸的功能。

49-2游泳池式反应堆；一回路；非能动破坏虹吸

49-2游泳池式反应堆是一座用轻水冷却、慢化的工程材料考验堆。堆水池为一铝质水池，底面长4.5 m，中间宽2 m，两端为半圆形，底面积为8.14 m2，高7.88 m［1］。图1给出了反应堆一回路简图。

为了防止一次水管道破裂引起堆水池大量失水，一次水管线都在6.9m处绕了一个 “几”字型弯，这带来了在一次水管道破裂时的虹吸问题［1］。在一次水管道断裂时能否破坏虹吸对49-2堆的堆芯安全非常重要。因49-2堆是从堆芯下部抽水，所以一次水出水管道的虹吸破坏对49 -2堆的安全尤为重要。由于一次水进水管道口在标高3.26 m的位置，且标高3.26 m至4.71 m为网筛结构，故进水管断裂时不会由于虹吸造成堆芯裸露。

49-2堆一次水进出水管道最高处原设有两个手动破坏虹吸阀门［1］。在一般的应急情况下，手动打开破坏虹吸阀门是可以实现的。但在强地震导致堆厂房顶或堆顶大厅内吊车坍塌时，手动破坏虹吸阀门可能无法打开。另外，在堆芯或辐照装置损坏等情况下，堆顶大厅剂量水平可能很高，以致工作人员不能进入堆顶大厅去打开手动破坏虹吸阀门。

目前，非能动技术已在先进反应堆的各主要安全系统中普遍应用，是保障先进反应堆固有安全性的重要手段［2］。为此，49-2堆需要增加非能动破坏一次水虹吸的能力。该功能的增加是2012年1月20日国家核安全局批准49-2游泳池反应堆继续运行的许可证条件。

1　不同虹吸孔孔径下虹吸孔旁路流和事故下虹吸破坏能力的计算

1.1非能动虹吸破坏孔高度的选择

49-2堆正常运行时堆水池水位为7.15 m～7.25 m，低水位警告信号设定值为7.15 m，低水位事故停堆信号值设定为6.88 m，由二回路向堆水池应急补水的水位设定值是4.88 m。非能动虹吸破坏孔应设置在6.88 m至4.88m之间。为防止虹吸结束后堆芯淹没较浅或不能淹没，虹吸孔不能设置较低。由于一次水管道弯段焊缝多，打孔的震动会影响焊缝的完整，所以虹吸孔的设置需避开弯段，不能设置过高。因此，选定非能动破坏虹吸孔高度为6.50m。

1.2计算程序及建模

49-2堆正常运行时一回路流量约为277.8 kg·s-1，堆芯进出口压差约为8950 pa。用热工水力计算程序relap5对49-2堆一回路进行建模［3，4］。49-2堆节点图如图2所示，其中节点100指堆芯，160指堆芯之上、虹吸破坏孔之下堆水池，170指虹吸破坏孔之上堆水池，180为游泳池上方大气空间，1-11为分段的一次水管线，6为虹吸破坏孔，120、130、140分别为连接3台主泵的分管段，200、300、400为程序计算中时间相关的控制体。

图1　49-2游泳池式反应堆一回路示意图Fig.1 Diagrammatic sketch of primary system of 49-2 SPR

图2　49-2泳池堆节点图Fig.2 System nodalization of 49-2 SPR

1.3一回路正常运行时虹吸孔漏流和事故下破坏虹吸能力

本文选取非能动虹吸破坏孔直径分别为1.0 cm、1.5 cm、2 cm，模拟计算了：一回路正常运行情况下下虹吸孔漏流量和漏流率；一回路管道泵前发生破口为D=265 mm的管道双端断裂时虹吸结束的时间及虹吸结束时池水淹没堆顶的高度；一回路管道泵前发生小破口时虹吸结束的时间及虹吸结束时池水淹没堆顶的高度。为试验验证的方便，泵前小破口采用一次水泵放水螺封的数据 （直径16 mm、标高0.07 m），池水水位为6.65 m。出于保守考虑，假设发生虹吸时管道内无局部阻力。模拟计算结果见表1。

1.0cm孔径的虹吸孔下，大破口失水事故虹吸终止时堆芯已裸露，不能满足安全需求；1.5 cm和2.0 cm孔径的虹吸孔下，大破口失水事故虹吸终止时堆芯还有水屏蔽，满足安全要求［3］。

表1　各种孔径破坏虹吸孔的漏流及事故下虹吸破坏能力Table1 The Leakage flow underthe normal operationand the ability of breaking siphon under the accident for variousaperturesof passive siphon breaker

2　非能动破坏虹吸改造的实施和试验验证

2.1非能动破坏虹吸方案实施

2013年10月，实施了49-2堆的一次水管线非能动破坏虹吸孔增设方案，及虹吸孔增设后的功能验证。所增设的非能动破坏虹吸孔中心高度6.50 m，孔径16 mm。孔径和高度均符合设计要求 （孔中心高度6.5 m，孔径15±2 mm）。

2.2增设非能动破坏虹吸孔后的虹吸破坏能力计算

由于增设的非能动破坏虹吸孔的孔径是16 mm，所以对16 mm孔径下的非能动破坏虹吸能力又进行了计算，破口尺寸和假设与2.3节相同。计算结果如图3及图4所示。

2.3一次水系统正常运行时虹吸孔和堆芯流量测量

49-2堆功率为1 000 kW至满功率3 500 kW时两台一次水泵运行，堆功率10 kW至1 000 kW时一台一次水泵运行。

两台一次水泵运行时，非能动虹吸破坏孔实测最大流量值是 1.79 t·h-1，最小值为1.74 t·h-1，平均值为1.77 t·h-1。堆芯B10栅格流量在24.00～24.34 t·h-1之间。一次水总流量一直维持1000 t·h-1不变。虹吸孔流量占一次水总流量的0.18%。

一台一次水泵运行时，虹吸破坏孔实测最大流量值是1.12t·h-1，最小值为1.07 t·h-1，平均值为1.09 t·h-1。堆芯B10栅格流量在16.20～16.48 t·h-1之间。一次水总流量一直维持600 t·h-1不变。虹吸孔流量占一次水总流量的0.18%。

图3　1.6 cm非能动虹吸破坏孔的大破口失水事故计算结果Fig.3 Calculation result of LBLOCA with 1.6 cm of passive siphon breaker diameter

图4　1.6 cm非能动虹吸破坏孔的小破口失水事故计算结果Fig.4 Calculation result of SBLOCA with 1.6 cm of passivesiphon breaker diameter

验证表明，一次水系统运行正常时流经虹吸破坏孔的流量很小，完全在堆芯漏流的变动范围内，不会对堆芯流量产生较大影响，不会影响反应堆正常运行时堆芯的冷却。

2.4泵前小破口下虹吸破坏能力模拟试验

考虑到实际安全影响和大量一次水排放的后处理负担，对非能动破坏虹吸孔在泵前大破口下的破坏虹吸能力只进行程序模拟分析，不再实际验证。泵前小破口下非能动破坏虹吸能力用打开一次水泵甲放水螺封来模拟的方法验证，结果列于表2。

2.5试验与计算结果比较

（1）16 mm直径非能动破坏虹吸孔在发生小破口失水事故时虹吸破坏能力的程序计算结果是：24.2 min虹吸孔露出水面，45.8 min虹吸终止，虹吸终止时堆水池水位为6.445 m。实际测量时间序列比计算值推迟很多，这是由于在计算时出于保守考虑，没有考虑管道的局部阻力，即计算过程中破口处水流量较大，从而导致实际验证结果的虹吸结束时水位比计算值要高。

（2）破坏虹吸后堆水池水位比计算值高，即堆芯淹没更多，反应堆更安全，堆顶部辐射剂量水平更低；

（3）破坏虹吸所需时间比计算值长，因此失水情况下有更多时间应急补水。

表2　泵前小破口下非能动破坏虹吸能力验证试验时间序列Table 2 Time series of passive siphon break ability test under small crevasse before pump

3　人员受照剂量控制和放射性废水排放

破坏虹吸整改期间，在堆水池排水至6 m后，堆顶大厅空间的辐射剂量水平是5～15 μSv·h-1，水面的剂量水平是11～15 μSv·h-1，一次水管道附近的辐射剂量最高。在破坏虹吸整改项目期间，进入堆顶大厅和一次水泵房进行施工和试验的16名49-2堆工作人员的集体剂量为484μSv，累计个人剂量最高为61 μSv。在破坏虹吸整改项目实施及验证期间向原子能科学研究院弱放管线排放一次水4.5 t。

4　总结

在一次水出水管道上增设的非能动破坏虹吸孔是49-2堆重要的虹吸破坏手段，不受动力和环境影响，能保障堆芯安全和堆外辐射安全；试验验证表明，49-2堆正常运行时非能动虹吸破坏孔的漏流占一次水总流量的0.18%，在漏流允许范围内，不影响堆芯冷却；当一次水管线发生各种尺寸的破口时，能实现非能动破坏虹吸功能；在增设非能动破坏虹吸功能及试验验证的过程中，工作人员受照剂量和放射性流出物排放得到有效控制；手动破坏虹吸阀门仍可保留，当事故中条件允许时，还按原事故处理规程中的打开手动破坏虹吸阀门来破坏虹吸。

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The Construction of Passive Siphon Breaker for Primary System of 49-2 SPR

ZHANG Yadong，YANG Xiao，GUO Yue，WANG Zhanwen，YUE Zhiting
（China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China）

The passive siphon breaker function of primary system was built for 49-2 SPR to make up the manual siphon breaker，which cannot be opened under special circumstances，in2013.The Leakage flow through passive siphon breaker hole under the normal operationand the ability of breaking siphon under the accidentfor various apertures of passive siphon breakerswere calculated separately.According to the calculation results，a 1.6 cm diameter hole on the pipe of primary system bored at 6.5 m high is used as passive siphon breaker.Experimental validation showed that the new passive siphon breaker does not affect the normal operation of the reactor，also meet siphon break function.

49-2 SPR；primary system；passive siphon breaker

TL339

A

1672-5360（2016）03-0059-05

2015-09-17

2016-08-22

49-2反应堆预防与纠正性维修项目，项目编号 NO.163207

张亚东（1981—），男，甘肃会宁人，高级工程师，硕士，核能科学与工程，现主要从事反应堆的研究工作