核反應(yīng)堆安全分析

1、核反應(yīng)堆安全分析*2安全概念安全概念事故分類事故分類部分事故分析部分事故分析*No.3安全概念安全概念*No.4事故分類事故分類*我國(guó)我國(guó)HAF102HAF102的核電廠事故分類的核電廠事故分類 （1）沒有明確地考慮作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，）沒有明確地考慮作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故， 但可為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故所涵蓋的但可為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故所涵蓋的那些事故工況。那些事故工況。（2）沒有造成堆芯明顯惡化的超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故。）沒有造成堆芯明顯惡化的超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故。事故管理*幾個(gè)概念幾個(gè)概念*美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ANSIANSI）分類法（）分類法（19701970）*正常運(yùn)行和運(yùn)行瞬態(tài)正常運(yùn)行和運(yùn)行瞬態(tài)*中等頻率事件（預(yù)

2、期運(yùn)行事件）中等頻率事件（預(yù)期運(yùn)行事件） 堆啟動(dòng)時(shí)，控制棒組件不可控地抽出；堆啟動(dòng)時(shí)，控制棒組件不可控地抽出； 滿功率運(yùn)行時(shí)，控制棒組件不可控地抽出；滿功率運(yùn)行時(shí)，控制棒組件不可控地抽出； 控制棒組件落棒；控制棒組件落棒； 硼失控稀釋；硼失控稀釋； 部分失去冷卻劑流量；部分失去冷卻劑流量； 失去正常給水；失去正常給水； 給水溫度降低；給水溫度降低； 負(fù)荷過分增加；負(fù)荷過分增加； 隔離環(huán)路再啟動(dòng)；隔離環(huán)路再啟動(dòng)； 甩負(fù)荷；甩負(fù)荷； 失去外電源；失去外電源； 一回路卸壓；一回路卸壓； 主蒸汽系統(tǒng)卸壓；主蒸汽系統(tǒng)卸壓； 滿功率運(yùn)行時(shí)，安注系統(tǒng)誤動(dòng)作，等。滿功率運(yùn)行時(shí)，安注系統(tǒng)誤動(dòng)作，等。 * *極限

3、事故極限事故*美國(guó)核管會(huì)（美國(guó)核管會(huì)（NRCNRC）分類法）分類法*l 給水系統(tǒng)故障使給水溫度降低；給水系統(tǒng)故障使給水溫度降低；l 給水系統(tǒng)故障使給水流量增加；給水系統(tǒng)故障使給水流量增加；l 蒸汽壓力調(diào)節(jié)器故障或損壞使蒸汽流蒸汽壓力調(diào)節(jié)器故障或損壞使蒸汽流量增加；量增加；l 誤打開蒸汽發(fā)生器卸放或安全閥；誤打開蒸汽發(fā)生器卸放或安全閥；l 安全殼內(nèi)、外蒸汽管道破損。安全殼內(nèi)、外蒸汽管道破損。 給水溫度低給水溫度低 給水流量高給水流量高 蒸汽流量增加蒸汽流量增加MSFW二回路系統(tǒng)排熱增加初因事件二回路系統(tǒng)排熱增加初因事件*MSFW二回路系統(tǒng)排熱減少初因事件二回路系統(tǒng)排熱減少初因事件*反應(yīng)堆冷卻劑系

4、統(tǒng)流量減少處因事件反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)流量減少處因事件*反應(yīng)性和功率分布異常初因事件反應(yīng)性和功率分布異常初因事件*反應(yīng)堆冷卻劑裝量增加初因事件反應(yīng)堆冷卻劑裝量增加初因事件*反應(yīng)堆冷卻劑裝量減少初因事件反應(yīng)堆冷卻劑裝量減少初因事件*系統(tǒng)或設(shè)備的放射性釋放初因事件系統(tǒng)或設(shè)備的放射性釋放初因事件*未能緊急停堆的預(yù)計(jì)瞬變（未能緊急停堆的預(yù)計(jì)瞬變（ATWSATWS）初因事件）初因事件*彈棒事故彈棒事故控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封罩殼的破裂，使全部壓差作用到控制棒驅(qū)動(dòng)軸控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封罩殼的破裂，使全部壓差作用到控制棒驅(qū)動(dòng)軸上，從而引起控制棒迅速?gòu)棾龆研镜氖鹿?。上，從而引起控制棒迅速?gòu)棾龆研镜氖鹿?。由于快速引入反?yīng)性

5、，造成堆內(nèi)由于快速引入反應(yīng)性，造成堆內(nèi)核功率激增核功率激增，使燃料元件發(fā)生很大，使燃料元件發(fā)生很大變化，形成堆芯很大的變化，形成堆芯很大的功率不均勻功率不均勻因子，因此會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大的局部因子，因此會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大的局部功率峰值。功率峰值。同時(shí)，造成疊加同時(shí)，造成疊加一個(gè)小破口失水事故一個(gè)小破口失水事故，從失水事故角度來看，后果，從失水事故角度來看，后果并不嚴(yán)重，主要是彈棒造成堆芯功率嚴(yán)重畸變。并不嚴(yán)重，主要是彈棒造成堆芯功率嚴(yán)重畸變。反應(yīng)性引入反應(yīng)性引入*彈棒事故特點(diǎn)彈棒事故特點(diǎn)* 彈棒事故描述彈棒事故描述*l熱點(diǎn)處燃料芯塊比焓不得超過熱點(diǎn)處燃料芯塊比焓不得超過942kJ/kg，對(duì)于輻照燃料，對(duì)于

6、輻照燃料必須低于必須低于837 kJ/kg。l系統(tǒng)峰值壓力不超過設(shè)計(jì)壓力的系統(tǒng)峰值壓力不超過設(shè)計(jì)壓力的110%。l熱點(diǎn)的包殼溫度低于未氧化包殼開始顯著脆化的溫度熱點(diǎn)的包殼溫度低于未氧化包殼開始顯著脆化的溫度1482 C。l進(jìn)入進(jìn)入DNB的燃料棒數(shù)不超過燃料棒總數(shù)的的燃料棒數(shù)不超過燃料棒總數(shù)的10%。彈棒事故設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)性原則彈棒事故設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)性原則*彈棒預(yù)防措施*硼失控稀釋硼失控稀釋*硼失控稀釋特點(diǎn)硼失控稀釋特點(diǎn)*硼失控稀釋預(yù)防措施硼失控稀釋預(yù)防措施*失流事故失流事故*失流事故起因失流事故起因*強(qiáng)迫流量部分喪失強(qiáng)迫流量部分喪失*強(qiáng)迫流量全部喪失強(qiáng)迫流量全部喪失*緩解失流事故的關(guān)鍵因素緩解失流事故

7、的關(guān)鍵因素* 核電廠嚴(yán)重事故是指核電廠嚴(yán)重事故是指核反應(yīng)堆堆芯大面積燃料包殼失效核反應(yīng)堆堆芯大面積燃料包殼失效, ,威威脅或者破壞核電廠壓力容器或安全殼的完整性脅或者破壞核電廠壓力容器或安全殼的完整性, ,并引發(fā)放射性物質(zhì)泄并引發(fā)放射性物質(zhì)泄漏的一系列過程漏的一系列過程。 一般來說，核反應(yīng)堆的嚴(yán)重事故可以分為兩大類：一般來說，核反應(yīng)堆的嚴(yán)重事故可以分為兩大類： 堆芯熔化事故（堆芯熔化事故（CMAsCMAs）：）：堆芯熔化事故是由于堆芯冷卻不堆芯熔化事故是由于堆芯冷卻不充分，引起堆芯裸露、升溫和熔化的過程，其發(fā)展較為緩慢，時(shí)間充分，引起堆芯裸露、升溫和熔化的過程，其發(fā)展較為緩慢，時(shí)間尺度為小時(shí)量

8、級(jí)。美國(guó)三哩島事故尺度為小時(shí)量級(jí)。美國(guó)三哩島事故 堆芯解體事故（堆芯解體事故（CDAsCDAs）：）：堆芯解體事故是由于快速引入巨堆芯解體事故是由于快速引入巨大的反應(yīng)性，引起功率陡增和燃料碎裂的過程，其發(fā)展非常迅速，大的反應(yīng)性，引起功率陡增和燃料碎裂的過程，其發(fā)展非常迅速，時(shí)間尺度為秒量級(jí)。蘇聯(lián)切爾諾貝利核電廠事故時(shí)間尺度為秒量級(jí)。蘇聯(lián)切爾諾貝利核電廠事故 核電廠嚴(yán)重事故核電廠嚴(yán)重事故*嚴(yán)重事故過程和現(xiàn)象嚴(yán)重事故過程和現(xiàn)象 低壓熔堆低壓熔堆 以快速卸壓的大、中破口失水事故為先導(dǎo)，以快速卸壓的大、中破口失水事故為先導(dǎo)， 并發(fā)并發(fā)ECCSECCS的注射功能或再循環(huán)功能失效，的注射功能或再循環(huán)功能失

9、效， 堆芯裸露和熔化，鋯堆芯裸露和熔化，鋯+ +水蒸汽水蒸汽氫氣，氫氣， 堆芯水位下降到下柵格板以后，堆芯支撐結(jié)構(gòu)失效，熔融堆芯堆芯水位下降到下柵格板以后，堆芯支撐結(jié)構(gòu)失效，熔融堆芯跌入下腔室水中，跌入下腔室水中，蒸汽，蒸汽， 壓力容器在低壓下熔穿壓力容器在低壓下熔穿(p3.0MPa)(p3.0MPa)，熔融堆芯落入堆坑，并與，熔融堆芯落入堆坑，并與地基混凝土反應(yīng)地基混凝土反應(yīng)向安全殼釋放向安全殼釋放H H2 2,CO,CO,CO,CO2 2等不凝氣體。等不凝氣體。 安全殼可能破損：安全殼可能破損： 因不凝氣體聚集持續(xù)晚期超壓因不凝氣體聚集持續(xù)晚期超壓(3-5day)(3-5day)導(dǎo)致破裂或

10、貫穿件失效；導(dǎo)致破裂或貫穿件失效； 熔融堆芯燒穿地基。熔融堆芯燒穿地基。 高壓熔堆高壓熔堆 堆芯冷卻不足為先導(dǎo)條件（如失去二次側(cè)熱阱事件）堆芯冷卻不足為先導(dǎo)條件（如失去二次側(cè)熱阱事件）*。高壓熔堆特點(diǎn)高壓熔堆特點(diǎn)*安全殼安全殼反應(yīng)堆壓力容器反應(yīng)堆壓力容器安全殼直接加熱安全殼直接加熱堆芯熔融的進(jìn)展堆芯熔融的進(jìn)展裂變產(chǎn)物氣裂變產(chǎn)物氣溶膠的遷移溶膠的遷移氫氣爆炸氫氣爆炸熔融物熔融物/ /堆坑水的相互作用堆坑水的相互作用水蒸氣爆炸水蒸氣爆炸堆芯堆芯熔融物與混凝土相互作用熔融物與混凝土相互作用下封頭的熔穿下封頭的熔穿嚴(yán)重事主要現(xiàn)象嚴(yán)重事主要現(xiàn)象*堆芯熔化過程堆芯熔化過程l堆芯加熱堆芯加熱 燃料包殼變形燃

11、料包殼變形 氧化過程氧化過程l堆芯熔化堆芯熔化 堆芯熔化的三種定位機(jī)理堆芯熔化的三種定位機(jī)理 多孔碎片床多孔碎片床*鋯水反應(yīng)鋯水反應(yīng)包殼氧化包殼氧化氧化侵蝕氧化侵蝕氧化殼支撐氧化殼支撐共晶反應(yīng)共晶反應(yīng)堆芯加熱堆芯加熱表面干涸H2燃料元件燃料元件元件元件/包殼包殼包殼腫脹包殼腫脹*燃料包殼變形后果燃料包殼變形后果包殼*氧化過程氧化過程l 特特v水平層，面積大大減少，氧化速度慢水平層，面積大大減少，氧化速度慢Zr+ HZr+ H2 2O O 蒸氣蒸氣 ZrOZrO2 2 + + H H2 2 + + 熱量熱量*堆芯熔化概述堆芯熔化概述l燃料棒熔化的微滴和熔流初步形成，在燃料棒熔化的微滴和熔流初步形

12、成，在熔化部位較低的區(qū)域固化，并引起流道熔化部位較低的區(qū)域固化，并引起流道的流通面積減少。的流通面積減少。l隨著熔化的進(jìn)一步發(fā)展，部分燃料棒之隨著熔化的進(jìn)一步發(fā)展，部分燃料棒之間的流道被阻塞。間的流道被阻塞。l流道阻塞使燃料元件冷卻更加不足。流道阻塞使燃料元件冷卻更加不足。l堆芯熔化區(qū)域不斷擴(kuò)大，局部熔透。堆芯熔化區(qū)域不斷擴(kuò)大，局部熔透。l熔化燃料的上部倒塌，堆芯熔融區(qū)域不熔化燃料的上部倒塌，堆芯熔融區(qū)域不斷擴(kuò)大斷擴(kuò)大當(dāng)燃料溫度達(dá)到當(dāng)燃料溫度達(dá)到1400K時(shí)，堆芯材料開始熔化。時(shí)，堆芯材料開始熔化。*堆芯熔化三種定位機(jī)理堆芯熔化三種定位機(jī)理l 熔化的材料沿棒的外表面的蠟燭狀流動(dòng)和再固化熔化的材

13、料沿棒的外表面的蠟燭狀流動(dòng)和再固化l 在先固化的燃料芯基體硬殼上和破碎的堆芯材料上形在先固化的燃料芯基體硬殼上和破碎的堆芯材料上形成一個(gè)碎片床成一個(gè)碎片床l 在硬殼中的熔化材料形成熔坑，隨后硬殼破裂，堆芯在硬殼中的熔化材料形成熔坑，隨后硬殼破裂，堆芯熔融物落入堆芯下腔室熔融物落入堆芯下腔室*鋯水反應(yīng)鋯水反應(yīng)包殼氧化包殼氧化堆芯材料表堆芯材料表面熔化和燭面熔化和燭熔現(xiàn)象熔現(xiàn)象凝結(jié)和堆積凝結(jié)和堆積再定位再定位氧化侵蝕氧化侵蝕氧化殼支撐氧化殼支撐共晶反應(yīng)共晶反應(yīng)包殼失效包殼失效下封頭失效下封頭失效崩塌和碎片的形成崩塌和碎片的形成堆芯加熱、熔融進(jìn)展相關(guān)現(xiàn)象總結(jié)堆芯加熱、熔融進(jìn)展相關(guān)現(xiàn)象總結(jié)表面干涸H2

14、燃料元件燃料元件堆芯的塌落堆芯的塌落熔融池的產(chǎn)生熔融池的產(chǎn)生壓力容器壓力容器元件元件/包殼包殼元件間的元件間的液滴聚合液滴聚合*幾個(gè)概念幾個(gè)概念*安全殼內(nèi)的氫氣產(chǎn)生安全殼內(nèi)的氫氣產(chǎn)生 熔融堆芯在分解地基混凝土?xí)r，堆芯與混凝土相互作用（熔融堆芯在分解地基混凝土?xí)r，堆芯與混凝土相互作用（MCCI）也會(huì)產(chǎn)生氫氣。也會(huì)產(chǎn)生氫氣。 熔融物中的鋯等金屬，引起金屬的化學(xué)反應(yīng)，水蒸氣還原成氫氣熔融物中的鋯等金屬，引起金屬的化學(xué)反應(yīng)，水蒸氣還原成氫氣 水中溶入放射性物質(zhì)，長(zhǎng)時(shí)間的放射分解產(chǎn)生氫氣水中溶入放射性物質(zhì)，長(zhǎng)時(shí)間的放射分解產(chǎn)生氫氣 氫氣燃燒氫氣燃燒 安全殼升溫升壓安全殼升溫升壓 金屬金屬水反應(yīng)水反應(yīng) 水

15、的放射性分解水的放射性分解 氫氣的分布?xì)錃獾姆植?堆芯熔融物與水反應(yīng)堆芯熔融物與水反應(yīng)l Fe+H2OFeO+H2(Fe=1000kg, H2=36.1kg)l 3Fe+4H2OFe3O4+H2(Fe=1000kg, H2=47.7kg)l 2Cr+3H2O Cr3O4 +H2(Cr=1000kg, H2=57.7kg)l Zr+2H2O Zr O2+2 H2(Zr=1000kg, H2=43.87kg)對(duì)于由對(duì)于由90000kg90000kg燃料和燃料和22000kg22000kg不銹鋼組成的堆芯熔落物不銹鋼組成的堆芯熔落物( (Fe:85%,Cr:10%,Ni:5%)Fe:85%,Cr:1

16、0%,Ni:5%)，氫氣產(chǎn)量的最大理論值為氫氣產(chǎn)量的最大理論值為1392.2kg1392.2kg。根據(jù)試。根據(jù)試驗(yàn)的推論，驗(yàn)的推論，堆芯熔落物氧化率的保守限值為堆芯熔落物氧化率的保守限值為33%33%，可得到約，可得到約460kg460kg氫氣產(chǎn)氫氣產(chǎn)物，消耗水物，消耗水4300kg4300kg。*混凝土的消融反應(yīng)混凝土的消融反應(yīng)l 水被蒸發(fā)后，堆芯熔落物將保持高溫，開始侵蝕混凝土，產(chǎn)水被蒸發(fā)后，堆芯熔落物將保持高溫，開始侵蝕混凝土，產(chǎn)生氣體并釋放熱量。生氣體并釋放熱量。l 消融速率取決于傳給混凝土的熱流密度和混凝土的類型消融速率取決于傳給混凝土的熱流密度和混凝土的類型l 消融過程中產(chǎn)生氣體，

17、消融過程中產(chǎn)生氣體，氣體的運(yùn)動(dòng)氣體的運(yùn)動(dòng)將促進(jìn)堆芯熔融物與混凝將促進(jìn)堆芯熔融物與混凝土之間的對(duì)流傳熱，從而土之間的對(duì)流傳熱，從而加速加速混凝土的消融速率?；炷恋南谒俾?。l 混凝土的消融過程發(fā)生混凝土的消融過程發(fā)生吸熱吸熱化學(xué)反應(yīng)，其能量比熔融物的衰化學(xué)反應(yīng)，其能量比熔融物的衰變熱要大；變熱要大；l 同時(shí)，混凝土的消融過程中產(chǎn)生蒸汽和二氧化碳，這些同時(shí)，混凝土的消融過程中產(chǎn)生蒸汽和二氧化碳，這些氣體氣體又與堆芯熔融物中的金屬發(fā)生放熱又與堆芯熔融物中的金屬發(fā)生放熱反應(yīng)，因此，在長(zhǎng)時(shí)間的反應(yīng)，因此，在長(zhǎng)時(shí)間的侵蝕期間，碎片基本上保持恒定溫度。侵蝕期間，碎片基本上保持恒定溫度。*混凝土消融的化學(xué)反應(yīng)有混凝土消融的化學(xué)反應(yīng)有l(wèi) CaCOCaCO3 3CaO+COCaO+CO2 2l Ca(OH)Ca(OH)2 2CaO+HCaO+H2 2O Ol 2H2H2 2 +O+O2 22 H2 H2 2O O當(dāng)堆芯熔落物有當(dāng)堆芯熔落物有160016000 0C C的溫度，且堆坑中不存在水，則將有的溫度，且堆坑中不存在水，則將有8.48.4m m3 3的混凝土（約的混