CANDU6核电厂无过滤安全壳通风模式的研究

黄高峰，宫 宇，方立凯，钱鸿涛，王佳赟，张 琨

（1.上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233；2.生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082）

核电厂在严重事故下可能会发生安全壳超压失效，尤其在全厂断电事故（Station Blackout Accident，SBO）下，由于缺少安全壳喷淋等冷却措施，安全壳会发生超压失效。实际上，早期的CANDU6设计并未考虑严重事故对策[1]。对于CANDU6核电厂，设计基准事故下，通过启用安全壳喷淋和就地空气冷却器可以保持安全壳的完整性。然而，在全厂断电事故下，由于无法启用安全壳喷淋和就地空气冷却器这两种保持安全壳完整性的措施，IAEA经研究得出结论，约1 d后，会引起安全壳失效[2]。因此，CANDU6在严重事故下采用安全壳通风排气的策略尤为必要。

部分商用核电厂或者先进核电厂设计了严重事故下专用的安全壳过滤排放系统，通过过滤、排气和降压，防止安全壳发生超压失效[3-6]。然而，在CANDU6核电厂的早期设计中，并无专用的严重事故下的安全壳通风排气路径，而是遵循能用则用的原则。本文利用CANDU6核电厂重水蒸气回收系统作为通风排气路径，研究仅利用该通风路径而无过滤模式下对安全壳的响应进行分析，包括安全壳完整性和裂变产物源项的研究。

1 计算方法和模型

本文应用MELCOR[7]分析程序建立CAN⁃DU6核电厂的安全壳分析模型，将整个安全壳6层空间划分为14个控制容积，如图1所示。安全壳模型各节点代表的主要隔间见表1。方案中，利用流道连接安全壳内的各个隔间，并结合众多热构件模拟安全壳内的流动和传热，以实现安全壳内热工水力和裂变产物状态的模拟。重水蒸气回收系统的进气口位于A侧换料机室和C侧换料机室（即图1中的602和605），排气管线贯穿混凝土安全壳。

本文以全厂断电事故下的释放数据作为该分析模型的初始输入数据。基准工况为无安全壳通风时的超压失效工况，假定安全壳失效压力为0.5 MPa，失效尺寸为0.4 m当量直径[8]。该工况的事故进程见表2。

安全壳通风工况采用通风阀门间歇性开闭模式运行，通风排气口的尺寸为0.76 m当量直径。根据安全壳的失效压力（0.5 MPa），本文选取了3组开启和关闭的整定值，分别是0.479～0.445 MPa、0.445～0.376 MPa和0.445～0.307 MPa。排气阀门的驱动由蓄电池供电。

表1安全壳节点代表的主要隔间Table 1 Main isolation room represented by containment nodes

表2 全厂断电事故的事故进程Table 2 Accident progression of SBO

2 计算结果及分析

以下将从安全壳完整性和裂变产物源项两个方面讨论无过滤安全壳通风模式。

2.1 安全壳完整性分析

如图2所示，对于无过滤安全壳通风的基准工况，在88 303 s，安全壳压力达到其失效压力0.5 MPa（a），随后安全壳压力很快下降。在170 689 s，由于排管容器的蠕变失效，堆芯熔融物与堆腔内冷却水的相互作用产生大量的水蒸气，由此产生一个压力脉冲。图3所示为在安全壳失效工况下通过安全壳破口的排放流量，在安全壳失效瞬间，最大水蒸气流量将达到63 kg/s，在安全壳压力下降后，水蒸气排放流量随之减小。在排管容器失效后，水蒸气流量又会增加。氢气的释入主要分为两个阶段：第一个阶段为安全壳失效后的快速卸压阶段；第二个阶段为排管容器失效后的堆芯熔融物与混凝土相互作用阶段。

对于安全壳通风工况，由图2可知，3个工况均能保持安全壳的完整性。而且，通风阀门开启和关闭的整定值越高，通风阀门动作的频率越高。整定值越低，最后维持稳定的安全壳压力越低。在通风工况下，安全壳向环境的排气流量是间歇性的。由于通风管径较大，因此，瞬间排气流量将大于安全壳失效的最大流量（如图4所示），通过间歇性地将安全壳内积聚的能量排放出去，可以有效使安全壳降压，从而确保安全壳的完整性。

图2安全壳压力Fig.2 Containment pressure

图3安全壳失效工况的排气Fig.3 Exhaust of containment failure

图4安全壳通风工况的排气（0.479～0.445MPa）Fig.4 Exhaust of containment vent（0.479～0.445MPa）

2.2 裂变产物源项分析

对于无过滤安全壳通风，需要特别关注裂变产物源项问题，因为及时了解通风时释到环境的放射性，可以快速评价厂外的放射性状况，实施有效的事故管理[9]。

图5所示为核电厂释到环境的惰性气体份额，对于安全壳失效工况，在安全壳失效后约1 h内释到环境的惰性气体份额将会达到90%，随后，由于安全壳压力很低，惰性气体释到环境的速率很小。在通风工况下，安全壳通风口呈间歇性开闭，因此，释到环境的惰性气体份额呈现阶梯状变化趋势。通风工况下释到环境的惰性气体份额要比失效工况小，而且，开启关闭整定值越高，释到环境的惰性气体份额越小。

图5惰性气体释到环境的份额Fig.5 Fraction into environment for noble gas

图6 Cs组释到环境的份额Fig.6 Fraction into environment for group Cs

可沉积的碱金属Cs组（Cs和Rb）的释放和迁移特性要比惰性气体复杂。Cs是最容易与I结合的元素，在碱性环境下，95%的I是以CsI化合物形式出现的[10]，因此，研究Cs组的释放份额显得尤为必要。图6所示为Cs组释到环境的份额，由于通风工况下更多的Cs组沉积在安全壳内，因此，释到环境的Cs组明显减小，只有10-3数量级。而且，通风口开启关闭整定值越大，Cs组释到环境的份额就越小。

以上分析表明，相比没有排气导致安全壳失效的工况，无过滤通风工况能够减少惰性气体释到环境的份额，同时，对于重要放射性核素Cs组也有一定的滞留作用，能够减少Cs组释到环境的份额。

3 结论

本文通过分析CANDU6核电厂在SBO下利用重水蒸气回收系统进行无过滤安全壳通风的模式，得出以下结论：

（1）该通风模式对保持安全壳的完整性是有利的；

（2）相比没有排气导致安全壳失效的工况，该通风模式能够减少惰性气体释到环境的份额，同时，对于Cs组也有一定的滞留作用，能够减少其释入环境的份额；

（3）SBO下排气路径上阀门的供电可考虑由蓄电池提供。