AP1000 堆芯补水箱排水与自动卸压系统喷放合并试验的研究

郑尧瑶，曹克美，樊 普

(上海核工程研究设计院有限公司，上海200233)

在三代非能动核电厂的首次启动中，需要执行一次预运行试验项目，其目的是为了验证核电厂是按照设计完成建造的，系统运行与核电厂设计相一致，以及包括首次装料、首次临界、功率提升至满负荷在内的各项活动都是可控并且安全的[1]。非能动安全系统(PXS)预运行试验需要验证已安装的部件和相关的管道、阀门能正确的执行设计要求的安全功能，包括：堆芯补水箱(CMT)自然循环能力验证试验、CMT从再循环模式切换到排水模式的验证试验和自动卸压系统(ADS)喷放卸压试验。

在试验规程中，CMT排水试验(即CMT从再循环模式切换到排水模式的验证试验)与ADS喷放实验分别进行。考虑到这两个试验中都有ADS阀门开启，本文针对CMT排水试验和ADS喷放试验合并的可行性进行研究，探索将这些试验合并到一个试验中，以达到简化试验流程的目的。

1 试验介绍

CMT排水试验步骤为：热态时开启CMT出口隔离阀，5 s后停运主泵，并开启ADS-1A控制阀；当二次侧压力高于一次侧压力2.068 MPa时，手动开启SG PORV阀，确保压差不超过2.758 MPa；当CMT水位下降至低6液位整定值时，关闭CMT出口隔离阀，关闭ADS-1A隔离阀，终止试验。试验的主要目的是验证CMT能够从再循环模式切换到排水模式：当ADS第1级阀门对反应堆冷却剂系统(RCS)卸压，使得与压力平衡管线(PBL)相连的冷段出现空泡后，CMT将切换到排水模式[1]。

ADS喷放试验主要操作步骤为：正常运行压力温度平台(NOP/NOT)主泵100%转速条件下，手动触发CMT信号停转主泵，触发信号30 s后开始开启ADS阀门；ADS第1～3级阀门在自动控制下按照设定的延迟时间相继打开；当ADS第3级阀门全开后，立即依次逆序关闭所有ADS阀门；当所有ADS阀门关闭后，关闭SG PORV阀。试验的主要目的是通过ADS喷放RCS来验证自动卸压系统的运行。

根据以上两个试验的试验步骤，CMT排水和ADS喷放合并试验步骤考虑如下：

(1)NOP/NOT平台手动触发CMT信号，CMT出口阀门开启，该信号同时停转主泵，触发信号30 s后开始试验。

(2)当ADS触发信号产生后，打开CMT出口隔离阀，ADS第1～3级阀门在自动控制下按照设定的延迟时间相继打开。

(3)一旦鼓泡器流量全开试验时间持续10 s，依次逆序关闭ADS阀门，关闭程序与ADS喷放试验相同，但保留一列ADS第1级阀门打开；阀门开启序列相见表1。

表1 试验时间序列

(4)试验过程中当二次侧压力高于一次侧压力2.068 MPa(300 psi)时，手动开启SG PORV。

(5)当CMT水位达到低6液位整定值时，关闭CMT出口隔离阀，然后关闭ADS第1级控制阀和SG的PORV阀，合并试验终止。

合并试验将CMT排水试验和ADS喷放试验进行合并，可用于验证CMT能够从再循环模式切换到排水模式，并验证ADS对RCS的卸压能力，以及提供用于设备分析的重要参数，从而简化试验流程。

2 试验模拟

本文采用LOCA事故分析程序分别模拟了CMT排水试验、ADS喷放试验以及合并试验，从而论证从热工水力现象模拟的角度出发，CMT排水试验和ADS试验这两个独立的试验可以合并为一个试验。考虑到试验可能对设备(主要是压力容器内构件和安注接管)造成冲击，因此，主要关注冷热段温度、DVI流量、CMT进出口温度等参数变化。

2.1 CMT排水试验

图1为CMT出口流量曲线。本试验中约1 200 s之前，CMT首先以再循环模式进行流动，即来自冷段的液体经过平衡管线(PBL)进入CMT顶部，图2为CMT平衡管线流量。CMT从底部经DVI管线向RPV下降段注射流体，CMT一直处于水实体状态；开启ADS-1A阀门后，RCS通过ADS-1A向IRWST排放高温蒸汽和水，系统压力下降，同时系统水装量逐渐减少。

图1 CMT出口流量Fig.1 CMT outlet mass flow

图2 CMT平衡管线流量Fig.2 CMT balance line mass flow

当水装量减少至冷段开始空化，通过PBL流向CMT顶部的流体不再是液体，而变为蒸汽，CMT逐渐由水实体状态向两相状态过渡；随后，CMT内形成液位并且逐渐降低；在CMT液位降低过程中，会触发一系列低液位信号(低1～低6液位)。图3给出了CMT水位。

图3 CMT水位Fig.3 CMT water level

2.2 ADS喷放试验

ADS第1到第3级阀门依次打开后，RCS系统压力将迅速下降(见图4)。

图4 系统压力Fig.4 RCS pressure

当RCS系统压力下降到当前温度对应的饱和压力时，饱和水闪蒸，一方面，它将会减缓RCS压力下降的趋势，另一方面，它将会使大量的水涌入稳压器，使稳压器水装量增多。此后，由于RCS系统持续卸压，流体将会达到饱和状态，稳压器内的液体不断闪蒸，稳压器水装量逐渐减小(见图5)。

图5 稳压器水位Fig.5 Pressurizer water level

图6给出了ADS阀门喷放流量。RCS系统压力继续下降至低于SG压力2.068 MPa时，SG PORV阀将开启以保护传热管(见图7)，它将会使SG二次侧卸压。当全部ADS阀门关闭时，开始关闭SG PORV阀，那时试验将结束。

图8至图10给出了冷热段温度和归一化堆芯入口流量，由于试验中PXS系统不动作，因此不考虑对DVI管的冲击。

图6 ADS流量Fig.6 ADS mass flow

图7 SG PORV流量Fig.7 SG PORV mass flow

图8 热段温度Fig.8 Hot leg temperature

图9 冷段温度Fig.9 Cold leg temperature

图10 归一化堆芯入口流量Fig.10 Normalized core inlet mass flow

2.3 合并试验

程序模拟中，ADS触发信号产生后打开CMT出口隔离阀，当所有ADS1-3阀门依次全开后，鼓泡器在全流量下试验时间持续10 s，然后操纵员按相反的开启顺序逐个关闭ADS隔离阀(即从ADS第3到第1级依次关闭)，只保留一列ADS第1级阀门打开，直到CMT水位达到低6液位整定值。当试验过程中SG二次侧压力高于RCS压力2.068 MPa时，将打开SG PORV阀，以保护传热管。该试验将通过关闭CMT出口隔离阀、SG的PORV阀和ADS第1级控制阀终止。分析中不模拟试验结束后的电厂恢复操作。

当ADS第1到第3级阀门依次打开(见图11)，RCS系统压力迅速下降(见图12)，稳压器水装量减少。RCS系统压力下降到一回路温度对应的饱和压力，饱和水闪蒸，一方面减缓了RCS压力下降的趋势，一方面使得大量的水涌入稳压器，稳压器水装量增多。而在ADS阀门关闭后，进入波动管流量减少，稳压器水装量减少。其现象与ADS喷放试验类似。随着ADS阀门完全关闭，CMT持续注射，稳压器水位上升(见图13)。

图11 ADS流量Fig.11 ADS mass flow

图12 系统压力Fig.12 RCS pressure

图13 稳压器水位Fig.13 Pressurizer water level

图14给出了CMT的出口流量，可见CMT在经过180 s左右短暂的自然循环后，进入排水模式。与CMT排水试验相比，可发现合并试验由于ADS1-3级阀门依次开启，喷放的RCS冷却剂较多，CMT较早切换至排水模式，此时CMT出口温度较低，流量较大，相比CMT排水试验对设备的冲击更极限。

上述结果表明，合并试验既验证了ADS对RCS的卸压能力，也验证了CMT从再循环切换到排水模式的能力。即，从热工水力现象模拟的角度出发，CMT排水试验和ADS试验这两个独立的试验可以合并为一个试验。

图14 CMT出口流量Fig.14 CMT outlet mass flow

图15至图18给出了合并试验冷热段温度、RCS压力、DVI管压力和归一化堆芯入口流量。考虑到冷段温度在500～800 s之间温度变化较大(这可能是CMT中较冷的水注入冷段引起的)，可能对设备带来较大冲击。若采取合并试验的方法，可通过提高CMT初始水温的方法，减少对设备的冲击。

图15 冷段温度Fig.15 Cold leg temperature

图16 热段温度Fig.16 Hot leg temperature

图17 系统压力及DVI管压力Fig.17 RCS pressure and DVI pressure

图18 归一化堆芯入口流量Fig.18 Normalized core inlet mass flow

将合并试验CMT初始水温提高至CMT再循环试验结束时中部元件温度204.4 ℃，冷段温度将不再出现较大波动(见图19)。

图19 冷段温度Fig.19 Cold leg temperature

3 结论

综上所述，合并试验既验证了ADS对RCS的卸压能力，也验证了CMT从再循环切换到排水模式的能力。即，从热工水力现象模拟的角度出发，CMT排水试验和ADS试验这两个独立的试验可以合并为一个试验。

通过合并计算的模拟分析可以发现冷段温度在500～800 s之间温度变化较大，该温度波动可能对设备带来较大冲击。若采取合并试验的方法，可通过提高CMT初始水温的方法，减少对设备的冲击。计算结果表明，将CMT初始水温提高至204.4 ℃，RCS冷段与热段最大温差将大大降低，且CMT出口温度较高，该方案将极大地减少合并试验可能导致的设备冲击。