高位排气系统运行瞬态压力载荷分析

摘 要：为进一步提高核电厂的安全性，并满足法规对严重事故缓解措施的要求，消除事故过程中大量积聚在反应堆压力容器顶部的不可凝结气体对机组安全造成的重大威胁，我国自主研发的百万千瓦级压水式反应堆在压力容器顶部增设了排放阀门，在事故中通过此路径将大量积聚在反应堆顶部的不可凝结气体排出，这个系统即为高位排气系统。该文通过程序模拟，分析了高位排气系统在运行过程中可能经历的压力载荷。计算结果显示在所分析的工况中，高位排气系统可能经历的过程包括气体到气体、气体到液体的排放，但总体压力载荷冲击幅度不大，不会对系统造成额外风险。

关键词：高位排气系统 不可凝气体 氢气 压力载荷

中图分类号：TK47 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（a）-0051-04

Analysis the Pressure Change During the High Point Vent System Running Transient

Wu Lingjun Zou Zhiqiang Zhu Dahuan Deng Jian

（Nuclear Power Design and Research Institute of China，Chengdu Sichuan，610213，China）

Abstract：For the purpose that improve the safety of Nuclear Power Plant and meet the law request for severe accident mitigation measure，then avoid inadequate core cooling or impaired natural circulation resulting from the accumulation of non-condensable gases in the Reactor vessel head，the High Point Vent System is designed of 1000 MWe Nuclear Power Plant which is independence projected of China.The basic function of this system is to remove non-condensable gases or steam from the reactor vessel head.This paper will discuss the pressure change during of the high point vent system running transient state by code calculate.The results show that the pressure change is not a main risk for this system.

Key Words：High point vent system； Non-condensable gas； Hydrogen； Pressure change

在三哩岛事故（TMI-2）中，反应堆冷却剂系统内产生的氢气气泡在压力容器顶部等位置积聚，阻碍了冷却剂流动，从而影响了堆芯的冷却效果。基于以上原因，美国修订并出台规定（10 CFR 50.44修订、50.46a），要求所有电厂需“提供不可凝气体从反应堆高位排放的能力以及其它为维持足够堆芯冷却要求的系统。”[1]用以事故中排出积聚在一回路高位处的不可凝气体（主要是氢气）。

在我国自主研发的百万千瓦级压水式反应堆上也增设了高位排气系统，通过此系统在事故过程中将大量积聚在压力容器顶部的不可凝结气体排出，保持反应堆冷却剂系统唯一汽水界面。高位排气系统包括连接到反应堆压力容器顶部的两列平行管线。每列包括两个串联的排放阀。系统管路上设置有一个限流孔板，其目的是为满足SRP5.4.12中限制LOCA风险要求。系统简化流程示意图如图1。

系统运行为任意一列阀门打开，将可能积累在压力容器顶部的不可凝气体排出，在完成排气后，将由操作员根据规程手动关闭阀门。高位排气系统在运行过程中产生的一系列热工瞬态可能存在剧烈的压力变化，导致管道、构件等经历大的载荷。对系统结构完整性的评价要求定义这些载荷。该文将对系统在运行过程中受到的压力载荷进行分析。

1 压力载荷分析方法

RELAP5[2]计算程序，是在美国核管会（USNRC）支持下由阿贡国家实验室（INEL）开发的，可以用于核反应堆事故瞬态分析的高度通用性的程序。可以模拟包含蒸汽-水-不凝性气体的流体混合物的各种热工水力瞬态。为研究高位排气系统在运行过程中可能经历的压力载荷，将应用RELAP5程序，对反应堆及高位排气系统进行详细的建模，进而分析具体的事故瞬态过程。具体模型节点划分如图2和图3所示。

2 设计容量标准对应工况的压力载荷分析

高位排气系统容量需求的验收准则是：在反应堆冷却剂系统设计压力和温度下，排气系统能够通过并联的两列路径中的任意一列在1小时内排放相当于反应堆冷却剂系统一半容积的不可凝气体。验收准则中对排放容量及压力、温度均做了要求，在此设计容量标准对应工况的初始条件下排放氢气，模拟高位排气系统运行（排放阀门的设计开启时间为2 s），分析高位排气系统管道内不同初始介质情况下，限流孔板及排放阀门处经历的压力载荷，结果如表1所示。

可压缩流体在管内的最大流速受到气体声速的限制，即在管路系统某一位置可能发生临界流。在管路系统中，随着流体压力的下降，气体在管内流速增加，当下游的压力足够低时，流体在管子内某一位置达到声速流动，达到声速流动后，下游的压力进一步降低不再影响上游的流速，及在系统中存在一达到临界流的极限压降。由设计方案可知高位排气系统总的阻力系数为： K总=68.15，此阻力系数对应的极限压降为：15.56 MPa。表1中高位排气系统入口压力为17.23 MPa，出口压力为安全壳内气体压力0.1 MPa，很显然出入口压差大于极限压降，也就是说高位排气系统在此工况运行过程中达到了临界流。因此在系统运行后达到稳定状态时，管道中某一位置的平衡压力由系统各部分的阻力分配决定，如表1所示，虽然排放管道内初始介质不同，但当达到稳定的排放状态时，限流孔板处及排放阀门处的平衡态压力是固定的。

从表1可以看出，初始排气管道内介质与所排放介质（氢气）密度越接近，在排放过程中所经历的压力载荷变化越平缓，当排气管道内介质密度与排入气体密度存在较大差异时压力会产生波动，达到稳定状态所需经历的时间也更长。在排放管道内初始介质为水蒸汽的情况下，设计容量标准对应工况中排放阀门处所经历的压力载荷变化最大为6.28 MPa/2.23 s，此载荷变化在排放阀门可承受范围内，不会增加系统运行风险。

3 事故进程中高位排气系统可能经历的压力载荷

高位排气系统的设置目的为在事故进程中排放可能积聚在压力容器顶部的不可凝气体，不可凝气体的主要来源为氢气。氢气在事故进程中产生的模式有三种：（1）水的辐照分解以及结构材料的氧化等；（2）堆芯燃料在事故过程中发生锆水反应；（3）压力容器失效后堆芯熔融物和混凝土相互作用（MCCI）。其中水辐照分解产氢量较少，不会形成双汽水界面甚至影响自然循环的气封现象，而MCCI过程中产氢不是高位排气系统处置范围，因此仅关注锆水反应产生的氢气的排放问题。锆水反应产生大量氢气，且形成双水汽界面从而影响自然循环的现象会出现在高压熔堆事故进程中，如三哩岛事故。

3.1 高压熔堆事故序列中高位排气系统状态

选取典型的高压熔堆严重事故序列“SG给水全部丧失叠加全厂断电”，不考虑任何操纵员干预动作，分析事故进程中高位排气系统管道所处状态。

典型高压熔堆事故序列分析结果中压力容器内水位及高位排气系统管道内含气率，如图4所示。从图中可知，在压力容器内水位开始下降后，高位排气系统管道内的水开始向外蒸发，堆芯裸露后锆水反应才会大面积发生，此时高位排气系统管道内限流孔板上游的水将全部蒸干，但由于管道的尺寸和限流孔板的作用，限流孔板下游无法全部蒸干，最终会留有约20%的水实体。

3.2 事故进程中高位排气系统运行可能经历的压力载荷

根据典型高压熔堆严重事故序列分析结果，按照事故进程中锆水反应发生时高位排气系统管道内气体含量的初始条件，分析高位排气系统运行过程中，不同排放压力、氢气含量初始状态下可能经历的压力载荷。

事故进程中，一回路压力受稳压器安全阀控制，可能的初始排放压力包括稳压器安全阀的整定压力17.2 MPa、17.0 MPa、16.6 MPa（三种情况均超过极限压降，因此仅选取最大值进行分析），以及更低的压力，例如15.5 MPa，或者与SG二次侧安全阀运行相平衡的压力8.6 MPa；系统运行时所排放介质也存在多种可能，例如氢气、氢气和水蒸汽的混合气体（50%）或者水蒸汽。高位排气系统管道内初始介质为水蒸汽和氢气的混合，其具体成分按照事故进程计算结果设置。在各种可能的事故状态中高位排气系统所要经历的压力载荷如表2所示。

表2的分析结果与表1一致，且高位排放阀门开启前压力容器内压力越高，压力载荷冲击幅度越大。在初始排放压力为17.2 MPa排放介质为纯氢气的情况下，高位排气系统所经历的压力载荷变化最大，为3.78 MPa/0.24 s，此载荷变化在高位排放阀门可承受范围内，不会增加系统运行风险。

3.3 排放氮气的压力载荷

不可凝气体的积聚也包括氮气，氮气进入压力容器内的情况最可能出现在安注箱排空后，此时很可能氢气已经被排放，高位排气系统管道内充满水蒸汽状态，此种情况下排放氮气，压力容器内压力在安注箱注入压力以下，从表2的趋势推断，其压力载荷变化将在排放阀门可承受范围内，不会增加系统运行风险。

3.4 高位排气系统经历由排气到排水的压力载荷

在高位排放系统运行一段时间后，可能存在两种结果：一种是事故进程已得到良好控制，但压力容器内水位并未上升到压力容器顶部，此时关闭高位排放阀门压力载荷不会发生大变化；另一种情况是在排放阀门开启后一段时间，压力容器内水位上升到满溢状态，理论上，阀门在水进入高位排气系统管道之前应关闭。但实际上，由于在排气期间无法精确的判断压力容器内水位，水也有可能通过高位排气系统管道排出。此种情况下高位排气系统将会经历排气/汽到排水的过程，应对此过程中压力载荷进行分析。

根据事故进程的可能性首先设定排水前压力容器内压力为16.6 MPa，水温为饱和态。此时高位排气系统已稳定运行10 s，限流孔板处及排放阀门处压力分别为16.1 MPa和12.1 MPa，在水排入到高位排气系统管道内之前，管道内介质存在多种可能，例如氢气、氢气和水蒸汽的混合气体（50%）或者水蒸汽。对高位排气系统可能经历的排气/汽到排水过程的分析结果如表3所示。

在表3所分析工况中，如果氢气排放后紧接着水实体排入高位排气系统管线，会在限流孔板处发生压力的震荡。排放初始限流孔板处排放氢气压力（16.1 MPa）与压力容器内压力（16.6 MPa）相差无几。水的密度远高于氢气的密度，当水实体推进到限流孔板的位置，流动将受到限流孔板的限制而减速，此种情况下限流孔板下游压力为12.1 MPa，则通过限流孔板的水将会闪蒸为汽水混合物，压力瞬间上升。之后，汽水混合物在管道内向前推进，其密度相较于氢气差别仍然很大，因此与氢气的推进将产生速度差，进而使得压力下降。从排氢气到排水的过程中，在限流孔板处的压力载荷正向为1.88 MPa/0.008 s，反向为3.12 MPa/0.07 s，仍在排放阀门可承受范围内，不会增加系统运行风险。

4 结语

该文通过程序模拟，分析了高位排气系统在运行过程中可能经历的不同工况状态下的压力载荷，包括管道内不同初始介质、不同排放压力和排放不同成分介质等多种工况的组合。计算结果显示在所分析的工况中，高位排气系统可能经历的过程包括气体到气体、气体到液体的排放，但总体压力载荷冲击幅度不大，在系统可承受范围内，不会增加系统运行风险。

参考文献

[1]U.S.NRC.“Acceptance Criteria for Reactor Coolant System Venting Systems”.10 CFR 50.46a，2003.

[2]U.S.NRC.RELAP5/MOD3 Code Manual.NUREG/CR-4312，1998.

[3]U.S.NRC.“Follow up Actions resulting from the NRC Staff Reviews Regarding the Three Mile Island Unit 2 Accident”，1979.

[4]U.S.NRC.“Clarification of TMI Action Plan Requirements： II.B.1，Reactor Coolant System Vents”.NUREG-0737，1980.

[5]A.F.Akselrod， T.C.Esselman.“Transient Thermal-hydraulic Analysis of the Reactor Vessel Head Vent System”.Elsevier Science Publishers B.V，1993.

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