小型堆包壳破损状态下利用稳压器去除放射性研究

王 伟，陈玉清,*，傅晟威，于 亮

(1.海军工程大学 核科学技术学院，湖北 武汉 430033；2.海军92730部队，海南 三亚 572000)

压水堆运行过程中若燃料元件偶发破损，一定量放射性物质将会释放到一回路冷却剂中，若不能有效去除这些放射性物质，叠加破口事故放射性物质意外泄漏可能导致船员遭受放射性照射损伤[1-2]。为了提升包壳破损状态下的运行及辐射安全，电站堆通常采取稳压器喷雾除气的方式去除系统内的惰性气体[3-4]，船用堆与电站堆的结构及运行特性的差别导致利用稳压器喷雾除气的必要性及效果存在差别[5-6]。首先，电站堆通常不会停堆，运行状态下只能通过喷雾除气的方式去除惰性气体；而船用堆启停相对频繁[7-8]，停堆时稳压器的喷雾补水过程可析出大量放射性气体，通过稳压器高点放气，惰性气体便会释放到废物处理系统而去除。其次，电站堆稳压器体积较大，稳压器喷雾除气的效果要好于船用堆。最后，稳压器喷雾除气需要严格控制系统压力，若操作不当或除气安全阀无法关闭，将导致反应堆意外停闭甚至引发核事故[9-10]。因此，有必要对船用堆个别燃料元件包壳破损状态下稳压器喷雾除气的物理过程进行研究，评估稳压器喷雾除气和停堆后高点放气对惰性气体的去除效果。目前对于稳压器的研究主要体现在正常运行或事故工况的热工水力特性上[11]，对于反应堆运行时稳压器喷雾过程及停堆时稳压器充水排气过程对放射性物质的迁移特性研究鲜见报道。MELCOR作为压水堆常用的严重事故系统分析程序，不但能够模拟堆芯熔化的严重事故进程，也能够模拟事故下热工水力过程以及伴随着事故进程的放射性物质迁移扩散过程[12-13]。

为此，本文以MELCOR程序为工具，假设包壳破损率为0.1%，燃料破损后包壳内的惰性气体全部释放进入冷却剂[14-15]，建立停堆排气过程及稳压器喷雾除气模型，研究包壳破损状态下稳压器除气运行以及反应堆停闭后稳压器高点放气对惰性气体的去除作用。本文研究结果可为小型堆包壳破损状态下的运行及辐射安全提供理论支撑。

1 停堆过程及稳压器喷雾除气建模

不同于电站堆重点关注运行状态下稳压器喷雾除气，船用堆还需关注停堆过程稳压器大量喷雾对放射性的去除作用。为了研究小型堆包壳破损状态下利用稳压器去除放射性，需要对小型堆的停堆过程及稳压器喷雾除气功能进行热工水力建模。

1.1 停堆过程分析模型的建立

反应堆冷停堆过程，需进行系统降温降压、消除稳压器气腔。主冷却剂系统降温、降压主要依赖于余热排出系统，并通过稳压器喷雾降压的方式合理控制稳压器与回路的温差直至气腔消除，消除气腔过程需要持续向稳压器补水。为了实现上述功能模拟，本文利用MELCOR程序进行建模，如图1所示。余热排出系统建模始于主泵出口控制体CV728，一回路冷却剂经流道FL729流向余热排出冷却器被冷却后，最终经过流道FL732流回主泵入口控制体CV733。稳压器的补水通过补水箱CV700经流道FL742流入一回路出口控制体CV201。稳压器的喷雾建模始于堆芯入口控制体CV728经喷雾阀FL605的开启实现稳压器的喷雾降压。

图1 停堆过程及稳压器喷雾除气控制体模型

1.2 稳压器喷雾除气分析模型的建立

若堆芯燃料元件存在破损，稳压器喷雾除气是去除惰性气体的有效方式，除气分为运行状态除气和停堆后稳压器高点放气除气，如图1所示。运行状态除气，主要通过开启除气阀FL607将惰性气体排至大气环境控制体CV801实现；停堆后高点放气主要通过开启高点放气阀FL606将惰性气体排至核反应堆堆舱控制体CV800实现。

1.3 计算初始条件

为了开展先除气再停堆和停堆前未除气两种情况物理过程的仿真及放射性去除特性研究，本文结合小型船用堆停堆及稳压器喷雾除气的操作规程做出如下假设：1)按照除气规定，稳压器喷雾除气时反应堆的运行功率为20%额定功率；2)假设反应堆的初始运行功率为100%额定功率，停堆或降功率至20%额定功率喷雾除气，均需要持续喷雾维持稳压器与回路温差，初始功率的选择可以保证喷雾除气量的保守性；3)对于先除气再停堆，喷雾除气开始前降功率事件序列列于表1；喷雾除气的事件序列列于表2，喷雾除气的控制按该事件序列建模实现；4)对于停堆前未除气，停堆的事件序列列于表3，该过程喷雾控制稳压器与回路温差，稳压器补水直至气腔消除；5)反应堆处于寿期末，堆芯累积源项最大，保证了放射性计算的保守性要求；6)包壳破损率为0.1%，该假设符合设计基准事故包壳破损率的要求；7)惰性气体总量按0.1%堆芯源项累积总量考虑，假设破损包壳内的惰性气体全部释放进入一回路系统。

表1 喷雾除气开始前降功率事件序列

表2 20%额定功率下喷雾除气过程事件序列

表3 喷雾除气结束后停堆事件序列

2 先除气再停堆放射性去除研究

2.1 先除气再停堆物理过程

2.1.1先除气再停堆事件序列 表1～3为先除气再停堆事件序列，遵循该事件序列，可完整地模拟核动力装置从功率运行至降功率除气，以及除气结束后停堆消除稳压器气腔的物理过程。其中稳压器除气操作计算具体分为以下3个步骤。

1)满功率降低至30%额定功率，用时5 min；开始主泵转低速，转换过程200 s。

2)30%额定功率至20%额定功率，用时1 min；反应堆在20%额定功率下运行1 min开始除气操作。计算参数选取如下：(1)喷雾过程，喷雾运行20 min，关闭喷雾阀结束喷雾；(2)除气过程，除气3 min左右；(3)除气结束后，程序计算采用稳定运行3 min，调整电加热元件投入，使系统压力和温度恢复至接近初始状态；(4)操作排气次数为3次。

3)除气结束后运行3 min，从20%额定功率降至10%额定功率，用时1 min，反应堆在10%额定功率运行2 min开始停堆。

2.1.2先除气再停堆运行参数变化 为验证利用MELCOR程序仿真计算先除气再停堆物理过程的能力，选取了核反应堆功率、一回路压力、稳压器水位及回路出口温度与稳压器温度几个关键参数进行分析，结果示于图2～5。通过上述参数的动态变化复现对事件序列的假设。

图2 核反应堆功率

图3 一回路压力

图4 稳压器水位

图5 回路出口温度与稳压器温度对比

由图2～5可见，核反应堆功率、一回路压力、稳压器水位、回路出口温度及稳压器温度的变化趋势与喷雾除气及停堆过程的假设条件一致。在功能实现上，反应堆功率从100%额定功率降至20%额定功率喷雾除气结束后实现停闭；回路压力在喷雾阶段在工作范围内震荡，除气结束后因降温降压而降低；稳压器水位在除气阶段基本在工作范围内震荡，除气结束后最终因稳压器气腔消除而满水；回路温度与稳压器温度温差通过控制回路和稳压器降温速率保持在合理范围内。因此，程序能够准确模拟核反应堆的先除气再停堆过程，从而为基于该仿真过程的放射性后果分析奠定了良好的基础。

2.2 先除气再停堆放射性去除效果分析

图6示出稳压器内惰性气体占惰性气体总量的变化。图7示出稳压器内惰性气体的除气除去率。结合喷雾除气过程事件序列(表2)，由图6可见，5 120 s前，稳压器内出现的3次惰性气体上升对应3次喷雾过程，3次惰性气体下降对应3次排气过程；5 120 s时，除气结束，稳压器内剩余惰性气体的含量为惰性气体总量的3.26%；由图7可见，稳压器的3次喷雾除气过程共去除的惰性气体占惰性气体总量的11.6%。

图6 先除气再停堆工况下稳压器内惰性气体占惰性气体总量的变化

图7 稳压器内惰性气体的除气除去率

结合喷雾除气结束后停堆事件序列(表3)，由图6可见，5 360 s时，反应堆功率降低至10%额定功率，稳压器喷雾保持温差，余热排出系统的投入实现降温、降压，压力降低至低压安注投入压力时，开始向回路持续补水，稳压器满水后计算结束。可见停堆过程稳压器内惰性气体含量持续上升，稳压器满水后，惰性气体含量占惰性气体总量的27.4%。

反应堆冷停后，再次启堆前的堆舱检查需要进行高点放气，稳压器内的惰性气体将被释放到堆舱内而去除，可见，先除气再停堆去除惰性气体的总量为惰性气体的喷雾除气去除量与高点放气去除量的总和，大小为39.0%。

3 停堆前未除气放射性去除研究

3.1 停堆前未除气物理过程

3.1.1停堆事件序列 表4列出停堆前未除气的停堆事件序列，遵循该事件序列，可完整地模拟核动力装置停堆消除稳压器气腔的物理过程，具体过程为：1)满功率降低至30%额定功率，用时5 min，主泵开始转低速，转换过程为200 s；2)30%额定功率至10%额定功率，用时5 min，在10%额定功率运行200 s开始停堆。

表4 停堆事件序列

3.1.2停堆运行参数变化 为验证利用MELCOR程序仿真计算停堆前未除气物理过程的能力，选取了核反应堆功率、一回路压力、稳压器水位及回路与稳压器温度几个关键参数进行分析，如图8～11所示，通过上述参数的动态变化复现对事件序列的假设。

图8 核反应堆功率的变化

图9 一回路压力的变化

图10 稳压器水位的变化

图11 回路出口温度与稳压器温度的变化

由图8～11可见，核反应堆功率、一回路压力、稳压器水位、回路出口温度及稳压器温度的变化趋势与停堆过程的假设条件一致。在功能实现上，反应堆功率从100%额定功率降功率直至停闭；回路压力因降温降压而持续降低；稳压器水位最终因稳压器气腔消除而满水；回路温度与稳压器温度温差通过控制回路和稳压器降温速率保持在合理范围内。MELCOR程序能准确模拟核反应堆的停堆过程，从而为基于该仿真过程的放射性后果分析奠定了良好的基础。

3.2 停堆前未除气放射性去除效果分析

图12示出稳压器内惰性气体占惰性气体总量的变化。由图12可见，停堆过程中稳压器内惰性气体的含量持续上升，直至稳压器满水。上升过程惰性气体含量随时间的变化呈现为斜率不同的3条直线，对应3个不同阶段。

图12 停堆前未除气工况下稳压器内惰性气体占惰性气体总量的变化

第1条直线对应稳压器持续大量喷雾控制稳压器与回路温差阶段。结合表4中停堆过程事件序列，由图8可见，800 s时，反应堆从满功率降低至10%额定功率，由图11可见，由于功率的降低导致回路温度降低，为了保证出口温度与稳压器温度的温差，稳压器持续大量喷雾，由图12可见，2 630 s时，稳压器内惰性气体含量上升至惰性气体总量的13.4%。

第2条直线对应稳压器间断喷雾控制稳压器与回路温差阶段。该阶段回路持续降温降压，稳压器与回路温差通过间断喷雾即可得到控制(图11)。稳压器内惰性气体的增加速率相对平缓，由图12可见，6 837 s时，稳压器内惰性气体含量上升至惰性气体总量的18.4%。

第3条直线对应稳压器持续补水，间断喷雾控制稳压器与回路温差阶段。该阶段开始于6 837 s，回路压力降低至3.5 MPa(图9)，开始向回路持续补水直至稳压器满水(图10)。稳压器内惰性气体的增加速率处于第1阶段和第2阶段之间，稳压器满水后，稳压器内惰性气体含量上升至惰性气体总量的30.3%(图12)。

反应堆冷停后，再次启堆前需要进行高点放气，稳压器内的惰性气体将被释放到堆舱内而去除，去除量为惰性气体总量的30.3%。由2.2节的研究结论，先除气再停堆惰性气体去除量为惰性气体总量的39.0%，可见，先除气再停堆比停堆前不进行除气操作能够多去除惰性气体的量为惰性气体总量的8.7%。

4 结论

小型堆包壳破损状态下利用稳压器去除放射性研究，具体研究结论如下。

1)利用MELCOR程序对稳压器喷雾除气和停堆过程进行建模，通过与假设的事件序列进行对比，验证了模型能够准确模拟停堆及稳压器喷雾除气的物理过程。

2)先除气再停堆情况下，稳压器除气过程结束后，稳压器内剩余惰性气体的含量为惰性气体总量的3.26%；除气过程共去除惰性气体占惰性气体总量的11.6%。除气结束后开始停堆，稳压器内惰性气体含量持续上升，稳压器满水后，惰性气体含量占惰性气体总量的27.4%。反应堆冷停后，再次启堆前需要进行高点放气，稳压器内的惰性气体将被释放到堆舱内而去除，可见，先除气再停堆去除惰性气体的总量为惰性气体的喷雾除气去除量与高点放气去除量的总和，大小为39.0%。

3)停堆前未除气情况下，反应堆冷停后，再次启堆前需要进行高点放气，稳压器内的惰性气体将被释放到堆舱内而去除，去除量为惰性气体总量的30.3%。

4)先除气再停堆比停堆前未除气操作能够多去除惰性气体的量为惰性气体总量的8.7%。可见，稳压器喷雾除气对稳压器内放射性的降低作用有限，考虑到运行时除气对运行安全的不利影响，建议仅采取停堆后高点放气进行放射性的去除。