陈慎才
福建福清核电有限公司 福建 福清 350318
摘要：本文主要讲述了核电运行及事故设计基准事故工况的问题背景与价值，设计基准事故工况以及发展。
关键词：核电站；严重事故；颗粒物；运动沉积；分析方法
核电站运行中和事故工况下都有颗粒物的产生, 颗粒物可能危害核电站的安全运行并对人体健康和环境产生危害. 且目前针对核电站颗粒物的研究还不多. 在实验研究方面, 对核电颗粒性腐蚀产物的研究, 国外大多数学者将其腐蚀产物的沉积量和组成成分作为研究方向, 但对腐蚀产物运动和沉积机理缺乏研究. 沉积颗粒物的尺寸是否具有一定的分布规律, 也没有较深入的研究. 特别是对于此类腐蚀产物在压水堆蒸汽发生器传热管中的明显沉积现象, 未给予足够重视. 在数值模拟和程序计算方面, 受限于计算能力, 对核电站某一特定位置不同介质中颗粒物的研究较多, 对整体颗粒运动沉积研究较少; 对颗粒物运动规律和化学腐蚀研究较多, 对具体沉积机理和模型改进研究较少. 因此, 研究核电站严重事故下和正常运行工况下颗粒物的产生和运动, 控制其影响范围, 有着重要的科学价值和工程意义.
1 问题背景与价值
1.1 问题背景
1.1.1 正常工况
随着核电的发展, 核电的安全可靠性越来越受到人们的重视. 一回路因腐蚀产物的释放、活化和沉积等引起的停堆辐射剂量过高是核电站面临的难题,冷却剂中的颗粒物会对一回路管路产生化学腐蚀、磨蚀-腐蚀、物理磨损、加速腐蚀(FAC)等效应, 降低一回路的性能. 同时颗粒物会在壁面沉积, 造成传热恶化; 管道弯头和反应堆堆芯是物理磨损和颗粒物沉积的重点区域, 严重时可能发生堵塞.
1.1.2 设计基准事故
核电站的设计基准事故, 主要包括管道破裂事故、失水事故、控制棒弹出事故、泵轴卡死及断裂事故等. 在管道破裂事故中, 蒸汽或冷却水从管道中喷出, 同时颗粒物随介质喷出, 因此颗粒物会在大空间内形成气溶胶. 第四代反应堆中的超临界水、钠和铅铋等介质中颗粒迁移也会危及系统及其周围人员的安全. 此外, 模块式球床高温气冷堆[1]是中国第四代反应堆之一, 也是国际公认的新一代先进反应堆, 但其产生的石墨粉尘会导致一系列问题, 可能影响反应堆的安全运行.
1.2 类型范围
1.2.1 位置范围
以压水堆为例, 核电站安全壳内、一回路二回路管道内和蒸汽发生器内都可以产生并受到颗粒物的影响。
1.2.2 堆型位置
不同反应堆堆型结构不同, 颗粒物产生和存在的位置也不相同, 不同反应堆堆型颗粒物产生位置对比核电站最容易产生颗粒物的位置是反应堆堆芯、一回路管道和安全壳, 尤其反应堆堆芯是整个核电站运行的核心, 必须研究颗粒物运动沉积规律、控制其产生和沉积, 以预防严重事故发生.
1.2.3 运行工况下颗粒物产生类型
在核电运行和设计基准事故工况下反应堆颗粒物，正常运行过程中, 核电站一回路、二回路、蒸汽发生器和安全壳等都会产生并受到颗粒物的影响; 设计基准事故(DBA)中颗粒物存在位置和正常工况下相同.
1.3 问题价值
1.3.1 安全价值
放射性气溶胶在安全壳内的产生和运动机理尚未有清楚的认识, 有必要了解核事故后安全壳内气溶胶的运动特性, 设计更高效的系统, 减少颗粒物向环境的释放. 当核泄漏事故发生后, 核素在附近大气和水体中扩散, 目前对核泄漏后放射性物质在环境中迁移过程的研究还不完善, 大部分只考虑大气和水体运动,对其他介质研究较少, 对放射性颗粒物的自身过程考虑很少. 研究颗粒物在安全壳内的运动机理及特性,可以了解并减少放射性颗粒物的扩散, 具有重要的安全价值.
1.3.2 技术价值
以压水堆为例, 奥氏体不锈钢和镍基合金为核电厂一回路主设备所用的主要材料. 奥氏体不锈钢主要由304钢和316钢组成, 镍基合金主要由600和690合金组成. 这些材料在一般工业应用中具有优异的耐腐蚀性和耐高温性, 但长期在压水堆核电站高温高压水环境中, 造成的应力腐蚀开裂和晶间腐蚀等问题威胁着反应堆的安全, 给核电站的运行带来了很多麻烦. 当设备严重腐蚀到需要更换时, 由于辐射、设备制造成本等原因, 更换成本极大, 费用高, 经济效益差. 因此,需要了解颗粒物的运动腐蚀特性, 减少颗粒物对设备的腐蚀. 研究颗粒物在运行及事故时的运动沉积规律,可以优化和提高核电设计和运行的技术水平, 具有重要的技术价值.
1.3.3 科学价值
核电站运行及事故情况下, 对于材料腐蚀、腐蚀产物迁移预测以及辐射场计算方面, 国际上还有一些学者基于核电站水化学现场数据, 开发了完全依靠经验公式和半经验公式模型的计算软件. 对于腐蚀产物迁移沉积和数值计算方面, 由于实验研究困难较大,国内外学者的通常做法是, 依据半经验模型编制相关计算程序, 对腐蚀产物迁移沉积做一些程序计算. 但压水堆核电厂加锌水化学运行数据较难获得, 再加上压水堆核电站水化学环境复杂, 使得程序计算建模有较大困难, 并且计算结果难以验证. 对颗粒物的运动沉积进行研究, 可以推进两相流和工程热物理学科的进展, 具有重要的科学价值.
1.4 问题内涵
反应堆运行时, 主要包括以下三个方面内容: 一是保证压力边界部件和设备的完整性, 防止和减轻均匀腐蚀、应力腐蚀开裂和晶间腐蚀等问题; 二是保证核燃料包层的完整性, 防止腐蚀产物在堆芯沉积, 影响堆芯的传热效率和中子通量分布, 进而产生轴向偏差;三是控制反应堆的辐照剂量, 特别是在检修时的辐照剂量. 水化学控制的优劣直接影响核电的经济性、反应堆的安全性和电厂的寿命, 由于燃料棒、堆内构件和其他部件受到高压过冷态的冷却剂磨蚀-腐蚀、腐蚀冲刷和FAC(管道流体加速腐蚀)效应的影响, 许多细小颗粒由此产生, 这些颗粒将与冷却剂一同进入主回路, 并会对一回路造成物理磨损、FAC效应、化学腐蚀和磨蚀-腐蚀. 这将降低一回路的性能, 甚至破坏一回路的完整性. 同时, 含有颗粒物的冷却剂在一回路中流动, 这会影响一回路的传热性能, 并导致局部传热恶化. 以上均会对一回路的管道产生一定的消耗进而缩短其寿命.
2 设计基准事故工况
设计基准事故工况下, 如失流事故, 管路中流量降低, 加之颗粒物运动沉积的影响, 可能对流动换热产生不利影响; 如失水事故, 同样会因颗粒物的运动沉积造成传热恶化; 如热阱丧失事故, 更是会加剧传热恶化.因此在设计基准事故中, 包括湍流和热泳效应都会造成颗粒物的沉积. 如果不加以控制, 发展到严重事故,造成的安全和环境影响将会更加严重. 这里, 各种颗粒的沉积影响将是重要的安全隐患.
3 发展方向与趋势
(1) 要依靠数学方法, 同时注意不同数学方法原理带来的误差, 注重选择准确合理的方法对不同方法的分析结果进行相互验证.
(2) 目前, 由于缺乏实际的运行数据, 许多研究使 结论用程序计算数据或测试数据. 因此, 需要加强模糊数学、粗糙集理论、未确知数学和灰色理论等数学方法的应用.
(3) 在建模过程中要注意简化模型的精准性; 也要注意非线性精准模型的求解性. 避免快速简化模型带来的误差影响到模型本身的可靠度, 也要实现利用非线性精准模型得到清晰答案, 便于计算可靠性
4 结 语
研究不同介质不同类型颗粒物对核电系统的安全性有重要影响, 必须对颗粒物的运动沉积特性进行深入研究.对核电系统颗粒物运动特性的研究还处于初级阶段, 需要了解其运动特性, 尽量降低颗粒物的危害. 同时, 注意稀相、多相流与材料耦合的作用机制和微纳米粒子的运动特性，分析方法要多渠道并举, 选择建立精确模型,实现准确的理论模拟和实验验证.
参考文献
[ 1] 国家核安全局 .核动力厂设计安全规定 .2004
[ 2] 国家核安全局 .核动力厂运行安全规定 .2004
[ 3] 张英振 .AP-1000严重事故缓解措施 .核安全, 2007, (2)