核电厂安全壳扫气回路投运时间的论证分析

杨鹏程，李琼哲，叶水祥，张 钊，郗海英,杨 智

(苏州热工研究院有限公司，广东 深圳 518026)

近些年来，国内多个核电机组安全壳内出现了不同程度的惰性气体含量高、氧气含量低等气体成分不满足人员进入安全壳内工作条件的问题，导致机组出现了大修延误的状况，影响核电机组的经济效益。电厂寻求投运安全壳内大气监测系统(ETY)扫气回路改善安全壳内气体浓度来满足国家标准中对人员作业环境的要求。投运ETY扫气回路并不会对核电机组的反应堆堆芯安全带来直接影响，但投运过程中会开启安全壳隔离阀，安全壳内发生事故的情况下存在放射性释放的风险。

目前国内核电厂还开展有针对ETY扫气回路投运时间的分析与研究。本文通过构建一维解析模型、并结合概率论安全影响分析的方法，分析ETY扫气回路投运后对安全壳内气体浓度变化以及安全壳放射性屏蔽的影响，并为电厂在日常与大修情况下ETY扫气回路的投运时间提供参考和建议。

1 ETY扫气回路简介

ETY系统扫气回路是ETY系统其中的一个子系统，其流程简图如图1所示。

图1 ETY扫气回路流程简图Fig.1 ETY scavenge loop’s simplified diagram

ETY系统扫气回路由以下组成：

(1)一根与燃料厂房通风系统(DVK)联接的通风管向安全壳送新风，在该风管上安装一个平衡阀和一个止回阀，这支风管与两支ETY系统风管(均为100%风量)连接，将新风送入到安全壳底部。

(2)一条空气净化处理回路(包括电加热器、预过滤器、高效空气粒子过滤器、碘吸附器等)。两支并联的排风管道(均为100%风量)与净化处理回路相连，并连至系统的排风机上。

2 ETY扫气回路投入时间分析

2.1 ETY吹扫安全壳内惰性气体的时间

采用一维解析模型计算的方法，假设在ETY吹扫过程中整个安全壳内惰性气体的浓度是均匀的，且不考虑安全壳外新鲜空气中惰性气体浓度，ETY扫气回路投运过程中只运行一列风机，另一列保持备用。

设当任意t时刻，安全壳内惰性气体浓度为C(t)，在小段时间Δt时刻后，安全壳内有害气体浓度变化为C(Δt+t)，得到式(1)：

(1)

式中：Q——一台ETY扫气回路风机(ETY001/002ZV)的额定流量；

V0——核电厂安全壳有效体积。

对公式(1)进行变换，得到公式(2)：

(2)

将公式(2)左右两侧进行积分得到公式(3)：

(3)

式中：C0为t0=0时刻安全壳内的惰性气体浓度。根据公式(3)计算得到公式(4)：

(4)

变换后得到惰性气体浓度随时间变化的公式(5)：

(5)

式中：C1——目标浓度；

t——ETY扫气回路吹扫的时间。

查询A电厂系统设计手册和系统维修手册，A电厂安全壳的有效体积为49 000 m3，ETY扫气回路风机额定流量Q为1 500 m3/h,将数值带入公式(4)和公式(5)可最终得到ETY扫气回路投运后，安全壳内惰性气体浓度随时间变化的关系，如公式(6)和公式(7)所示。

C(t)=C0·e-0.031 t

(6)

(7)

根据气体浓度随时间的变化，做出ETY扫气回路投运时间与安全壳内惰性气体浓度变化对应曲线，如图2所示。

图2 安全壳内气体浓度随时间变化关系曲线Fig.2 Gas concentration curve over time in containment

若安全壳内惰性气体污染达到20 MPC，为降至10 MPC，ETY扫气回路投运的时间为：

t=22.6 h

2.2 ETY吹扫提升安全壳内氧含量的时间

新鲜空气中氧气含量较安全壳内空气氧气含量高，考虑安全壳内外氧气含量差值对ETY扫气回路吹扫时间的影响，参照上述建模分析可得到安全壳内氧气含量随时间变化的关系，如公式(8)所示。

(8)

式中：C1——空气中氧气浓度；

C2——目标氧气浓度；

Ci——初始时刻安全壳内氧气浓度；

K2——修正系数。

参考A电厂实际运行经验，投运前安全壳内氧含量为18.1%，投运38.2 h后安全壳内氧含量达到20%的人员进入标准，K2保守取值为1.5，安全壳内氧气含量随时间变化的关系如公式(9)所示：

(9)

由于未考虑安全壳内设备的整体布置及气体成分浓度的不均匀分布，一维解析建模的整体计算结果与实际情况存在少量偏差，但能够从总体上反映目前ETY扫气回路投运后安全壳内气体浓度变化的大体趋势。

3 ETY扫气回路投运的安全分析

3.1 安全功能分析

投运ETY扫气回路的风险在于投运过程中发生事故时，安全壳隔离阀能否按照要求关闭，将决定放射性物质是否释放到安全壳外，在电厂定期试验T—RPA025以及T—RPB025中，对ETY扫气回路投运所涉及的安全壳隔离阀的关闭功能均做了验证，可确保安全壳隔离阀关闭可用。正常情况下，ETY两列进口风管和出口管线上的安全壳隔离阀均为关闭状态，这些阀门在失气时，也将会保持关闭。安全壳内KRT探头KRT008/009/028 MA以及DVN烟囱探头KRT017/021 MA监控通往安全壳及排往大气DVN烟囱气体的放射性，在收到安全壳隔离、安全壳绝对压力高(0.12 MPa)和KRT放射性高等保护信号时，安全壳隔离阀将自动关闭，确保第三道屏障有效。

3.2 概率论安全分析

3.2.1 概率分析范围及数据处理

定量分析中仅对ETY投运状态对内部事件风险的影响进行分析，外部事件风险的影响在结果分析中进行定性分析。

功率工况持续时间按照0.923堆·年分析(参考A电厂十八个月换料经验过去六次大修功率工况持续的平均时间为337天，约0.923堆·年)。

3.2.2 风险定量分析

由ETY扫气回路的功能可知，ETY扫气回路的投运不会对反应堆堆芯的安全造成影响，因此在模型计算中不对堆芯损坏频率CDF和ΔCDF两个变量进行计算。

参考国内A电厂功率工况概率安全评估模型，通过故障树计算模型中ETY扫气回路均处于隔离状态和投运状态下的早期放射性大量释放频率LERF、ΔLERF、大量早期释放概率增量ILERP。故障树模型(以EPP221贯穿件为例)如图3、图4所示，其他贯穿件分析方法与此类似。

图3 EPP221贯穿件故障树(ETY扫气回路不投运)Fig.3 The fault tree of EPP221 penetration(ETY scan loop not running)

图4 EPP221贯穿件故障树(ETY扫气回路投运)Fig.4 The fault tree of EPP221 penetration (ETY scan loop is running)

3.2.3 定量计算结果及分析

(1)定量计算结果

具体计算结果如表1所示，根据结果可知：ETY扫气回路投运对LERF影响较小。

表1 ETY扫气回路投运的风险影响(功率工况内部事件)Table 1 Risk impact of ETY scavenging loop (power condition internal events)

(2)结果分析

从表1的定量计算结果分析，ETY运行状态变更导致的内部事件ILERP<1.00×10-8。保守考虑外部事件风险影响，ETY运行状态变更导致的总体ILERP仍小于1.00×10-7。参考NUMARC 93-01准则，系统设备运行配置变更导致的ICDP<1.00×10-6且ILERP<1.00×10-7，相应的维修工作按照正常的维修工作过程控制进行，不需额外的风险管理措施。

从外部事件风险角度，参考现有外部事件风险分析成果，在所有外部事件中，内部火灾对堆芯损坏风险的贡献相对较高，和内部事件基本相当。其他外部事件如地震、内部水淹等对堆芯损伤风险的贡献相对内部事件低了一到两个量级，可被定性筛选。

ETY安全壳隔离阀及控制盘柜涉及的火灾区域如表2所示(各阀门串联关系请参见图1)，只有安全壳贯穿件上两个串联阀门同时失效才会导致贯穿件隔离失效，进而可能产生放射性释放的后果，但同一贯穿件上两个串联阀门及控制盘柜均处在不同火灾区域，因此单一区域火灾事故不会导致ETY扫气回路相关贯穿件隔离失效。两区域同时火灾，或一区域发生火灾叠加另一设备随机失效，发生概率很低，可被定性筛选。可以认为，ETY扫气回路的投运对反应堆机组放射性屏蔽功能的影响非常有限。

表2 ETY安全壳隔离阀及支持系统涉及的火灾区域Table 2 The fire area involved in ETY containment isolation valves and support system

4 结论

综上所述，ETY扫气回路具有降低核电机组大修前安全壳内惰性气体含量以及提升氧含量的功能，保护工作人员免受惰性气体及缺氧环境的影响。

在反应堆机组实际运行过程中，采用间歇运行的方式投运ETY扫气回路，按照建立的安全壳内气体含量随ETY扫气回路投运时间变化的一维解析模型推算，ETY扫气回路投运后40小时，安全壳内惰性气体含量降至约原气体含量的30%，投运后166小时，安全壳内氧气含量可从18%提升至约20.9%。

从安全功能角度分析，投运ETY扫气回路的风险是可控的；从概率论角度分析，即使以全年投运ETY扫气回路作为安全壳放射性释放风险分析的输入条件，ETY扫气回路对安全壳放射性释放风险的影响也是很小的，且是可以被定量接受的。

根据核电厂运行技术规范的编写惯例，设备运行时间限制一般选择为1小时、8小时、24小时、3天、7天、14天以及30天，当前运行技术规范对ETY扫气回路的时间限制为180小时(7.5天)，结合国内A电厂近六年日常以及大修准备数据，在保证安全水平、满足电厂实际运行需求、且符合运行技术规范编写管理的前提下，建议ETY扫气回路投运的全年累计投入时间为14天，14天的运行时间既考虑了目前机组的实际运行需求，也考虑了随着国家标准的不断完善和对人员防护标准的不断提升对安全壳内各类气体含量控制带来的挑战。