基于RELAP5的反应堆失控提棒反应性引入分析

刘建全, 张继国, 石竟达, 吉慧敏, 杨已颢

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)

压水反应堆核电机组是国内外应用最为广泛的一种核电机组,约占在役核电机组的75%。目前,国内外相关学者和机构对压水反应堆的系统计算和试验已有了一定的研究。例如LEBEDEV G V进行了反应堆中子功率的绝对单位测量研究[1];ANSARIFAR G等人采用恒定轴向偏移策略对压水堆芯功率的非线性进行了研究[2],KNOSHAHVAL F等人对反应堆控制棒的最大速度进行了测定,并对可燃毒物棒在VVER-1000反应堆燃料组件中子学的性能进行了研究[3]。GUIMARAES F等人进行了用于AP1000核电站反应堆的不确定性建模研究[4];TAMAGNO P等人进行了从低能到高能的核数据的评估,基于基本的物理原理、协方差评价方法的最新进展、蒙特卡罗方法和高性能计算的集约使用,以及一些新建成的模型,清晰地展示了共振与从低到高连续的能量范围之间的联系[5];郭海兵等人自主开发的有限元三维中子扩散程序,实现了对堆芯的准确模拟[6];王飞飞等人将图形处理器单元技术与SRAC软件相结合,对熔盐堆进行了物理分析和数值建模[7];刘建全等人利用MATLAB软件分析了偏离泡核沸腾比(Departure from Nucleate Boiling Ratio,DNBR)与临界热流密度(Critical Heat Flux,CHF)的关系[8]。本文利用RELAP5对核电机组反应堆进行了失控提棒引入的反应性计算和分析,便于对该事故发生时堆芯的表现形式有进一步的了解,以保证反应堆的安全稳定运行。

1 失控提棒反应性引入概述

核电厂因为系统复杂、设备和部件比较多,容易发生一些不正常现象,会影响核电站的安全稳定运行和发电效率,其中失控提棒是发生频率较高的事故之一。失控提棒主要包括次临界和低功率启动时控制棒组的失控提升和功率运行时控制棒组的失控提升两种情况,都属于中等频率事故。控制棒组的失控提升在堆芯失控时引入反应性,造成堆芯核功率急剧增加。这样的事故可能是由操纵员的误操作或是由一些控制系统的故障引起的,可以发生在次临界状态、热态零功率或有功率状态下[9]。

本文主要讨论有功率状态下的提棒事故。控制棒组失控提升连续引入反应性,使核功率迅速增长,但功率的增长将被负的多普勒反应性反馈所限制。如果出现失控提棒事故,其瞬态将由反应堆保护系统的信号触动停堆而结束。次临界条件下的失控提棒事故计算通常分两步进行:首先计算得到对应于提棒事故中的不利功率分布;然后将得到的功率分布输入RELAP5中,进行中子动力学和热工水力计算。

2 失控提棒反应性引入计算说明

堆芯组件的反应性采用RELAP5软件进行编程计算。假设条件如下:多普勒系数和慢化剂温度系数均保守地选用小的绝对值;事故开始时,反应堆处于热态零功率(无负荷)的平均温度,且反应堆正好临界,事故发生后,反应堆触发功率量程高中子通量低定值,导致反应堆停堆,同时考虑了仪器和定值误差的最不利组合,以及停堆信号到控制棒下落的时间延迟;反应堆停堆时,具有最大棒价值的控制棒束卡在全部提出的位置上[10];假定初始功率水平为10-15额定功率,低于任何停堆条件下所预期的功率水平,最低的初始功率水平和最大的反应性引入率将导致瞬态中出现最大热通量。

在偏离泡核沸腾(Departure from Nucleate Boiling,DNB)分析中,不仅采用大的反应性引入率,而且采用与失控提棒过程相对应的不利的功率分布,将得到比实际小得多的最小烧毁比。

3 计算结果及分析

3.1 次临界和低功率启动时控制棒组的失控提升

控制棒组的失控提升是瞬态行为。由于触发高核通量低定值停堆而结束,其瞬态行为如图1所示。图1(a)给出了事故过程中核功率的响应曲线,虽然在瞬态中的核功率峰值很大,但由于时间很短,能量释放和燃料平均温度的增加并不很大。由于瞬态中放出的能量不是很大,且由于燃料固有的热滞后效应,瞬态中的热通量峰值只达到名义值。图1(b)给出了热点燃料平均温度和包壳平均温度在瞬态中的响应曲线。在整个瞬态中,最小DNBR值都大于限值。

图1 次临界条件下失控快速提棒分析结果

失控提棒事故的事件序列如表1所示。由于反应堆停堆,电厂将回到稳定状态。

表1 失控提棒事故的事件序列 s

控制棒束的失控提升在堆芯失控时引入反应性,造成堆芯核功率急剧增加。这样的事故可能是由于操纵员的误操作,或由于反应堆调节系统故障,或由于控制棒控制系统的故障引起的。它可以发生在次临界状态、热态零功率或有功率状态下。通常情况下,通过提棒使反应堆从次临界状态启动以提升功率,但在净堆初次启动时,要求硼稀释情况下最大反应性引入率比在本事故分析中用的引入率小。控制棒驱动机构的导线按预先选定的控制棒分组连接,它在整个寿命期内保持不变。这可防止控制棒束以不同于它们所在棒组的方式提升。控制棒电源的设计,可以保证提升的控制棒不超过两个子组。控制棒驱动机构是磁力提升型的,通电线圈按不同顺序连接,会提供不同的控制棒移动速度。在本次事故分析中,采用最大的反应性引入速率。

3.2 满功率运行时控制棒组失控提升

当反应堆功率运行时,失控提棒会引起堆芯功率升高。在蒸汽发生器的大气释放阀、安全阀开启之前,由蒸汽发生器二次侧带走的热量滞后于堆芯功率的增加,由此会引起反应堆冷却剂温度上升。如果不及时停堆,则会导致堆芯燃料元件发生DNB。因此,为了安全屏障的完整,使燃料元件包壳不损坏,必须使设计的反应堆保护系统能够在DNBR值下降到限值前终止该事故。CHF计算包括温度、压力及反应堆功率变化特征和事故过程中DNBR值的变化等。考虑压力误差、温度误差和功率误差,分析两种反应性反馈。

图2给出了满功率运行时失控快速提棒和失控慢速提棒的瞬态响应。在控制棒失控提升中,反应堆由高核通量保护停堆。虽然失控快速提棒导致堆内冷却剂温度和压力几乎不变,而失控慢速提棒却使堆内的温度和压力变化很大,但是最小DNBR值都超过了限值。

压水反应堆为束棒控制,在启动或提升功率的过程中,由于运行人员的误操作或控制仪表失灵,使控制棒失控连续提升的可能性是存在的,因此也会造成提棒事故。事故引入的正反应性激增了反应堆内的核功率和热流密度。提棒事故发生后,由于保护系统动作而紧急停堆,事故瞬态会很快结束。燃料温度反应性反馈对快速提棒事故瞬态的影响很大,同时,慢化剂温度反应性系数对瞬态也有影响[11]。

在功率运行时,失控提棒会导致堆芯功率升高。在蒸汽发生器的大气释放阀、安全阀开启之前,由蒸汽发生器二次侧带走的热量滞后于堆芯功率的增加,由此引起反应堆冷却剂温度增加。但如果停堆及时,堆芯燃料元件也不会发生DNB。因此,为了避免燃料元件包壳损坏,就应该使设计的反应堆保护系统能够在DNBR值下降到限值之前终止该事故。

图2 满功率失控提棒分析结果

在高反应性引入速率时,堆芯核通量上升很快,而由高核通量信号停堆,但由于燃料和冷却剂系统液体热容的影响,堆芯热流密度滞后于核通量的增加,因此仍会维持较高的最小DNBR值、变化很小的反应堆冷却剂压力以及温度值。随着反应堆冷却剂温度的增加,最终由超温ΔT停堆,其最小DNBR值也不小于限值。无论高核通量保护或超温ΔT保护,燃料峰值温度都不超过其熔化温度,也不会发生DNB。

4 结 论

(1) 次临界和低功率启动时控制棒组的失控提升过程中,瞬态中的核功率峰值很大,但时间很短,能量释放和燃料平均温度的增加并不大。

(2) 控制棒组失控提升连续引入反应性,使核功率迅速增长,但功率的增长将被负的多普勒反应性反馈所限制。

(3) 当反应堆功率运行时,失控提棒会引起堆芯功率升高。由于蒸汽发生器二次侧带走的热量滞后于堆芯功率的增加,致使反应堆冷却剂温度增加。若不及时停堆,则容易导致堆芯燃料元件发生DNB。

(4) 在高反应性引入时,堆芯核通量上升很快。由于燃料和冷却剂系统液体热容的影响,堆芯热流密度滞后于核通量的增加。