壓水堆核電廠安全單元15控制棒彈出事故及未能緊急停堆的預(yù)期瞬變

壓水堆核電廠安全第15單元:控制棒彈出事故及未能緊急停堆的預(yù)期瞬變4.7反應(yīng)性引入事故4.7.1失控提棒事故4.7.2彈棒事故目錄4.7.1失控提棒事故失控提棒事故

主要包括：次臨界和低功率啟動(dòng)時(shí)控制棒組失控提出功率運(yùn)行時(shí)控制棒組的失控提出4.7.1次臨界和低功率啟動(dòng)時(shí)控制棒組失控提出事故概述

控制棒束的失控提升在堆芯引入反應(yīng)性，造成堆芯核功率急劇增加。事故引起原因：操作的誤操作反應(yīng)堆調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障控制棒控制系統(tǒng)故障事故等級(jí)：工況Ⅱ事件

單元15：

控制棒彈出事故及ATWS1）源量程高核通量反應(yīng)堆停堆當(dāng)兩個(gè)獨(dú)立的源通量程通道中的任何一個(gè)通道指示出其核通量水平超過(guò)預(yù)期選定的整定值時(shí)，就發(fā)生停堆動(dòng)作。只有當(dāng)任何一中間量程核通量通道指出其通量水平超過(guò)某規(guī)定值時(shí)，才可以手動(dòng)閉鎖源量程高核通量程停堆。當(dāng)兩個(gè)中間量程通道指示的中子通量水平低于該規(guī)定值時(shí)，停堆功能自動(dòng)恢復(fù)。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS2）中間量程高核通量停堆當(dāng)兩個(gè)獨(dú)立的中間量程通道指示出中子通量水平高于預(yù)選定的整定值時(shí)，就發(fā)生停堆動(dòng)作。當(dāng)四個(gè)功率量程的通道中有兩個(gè)通道指示中子通量水平在額定功率水平的10%以上時(shí)，中間量程高核通量停堆才可以手動(dòng)閉鎖。而當(dāng)四個(gè)通道中的三個(gè)通道的中子通量水平的讀數(shù)在10%以下時(shí)，停堆功能就自動(dòng)恢復(fù)。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS3）功率量程高核通量停堆（低定值）當(dāng)四個(gè)功率量程通道中的任意兩個(gè)通道指示出功率水平高于25%額定功率時(shí)，就發(fā)生停堆動(dòng)作。只有當(dāng)四個(gè)通道中有任兩個(gè)通道指示出功率水平在額定功率水平的10%以上時(shí)，才可以手動(dòng)閉鎖；而當(dāng)四個(gè)通道中任意三個(gè)通道的中子通量水平的讀數(shù)在10%以下時(shí)，停堆功能就自動(dòng)恢復(fù)。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS4）功率量程高中子通量停堆（高值）

當(dāng)四個(gè)功率量程通道中的任意兩個(gè)通道指示的功率水平在某一停堆定值（10%）以上時(shí)就發(fā)生停堆動(dòng)作，這一停堆功能不能閉鎖。。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS5）高中子通量正變化率停堆（高定值）當(dāng)四個(gè)功率量程通道中的任兩個(gè)通道的中子通量的正變化速率在某一停堆定值時(shí)以上時(shí)就發(fā)生停堆動(dòng)作，這一停堆功能不能閉鎖。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS

次臨界條件下的失控提棒事故計(jì)算通常分兩步進(jìn)行：

第一步，利用二維程序和軸向一維程序計(jì)算得到對(duì)應(yīng)于提棒事故中的不利功率分布；

第二步，將得到的功率分布輸入到中子動(dòng)力學(xué)與熱工水力學(xué)耦合的動(dòng)態(tài)程序PDK-Ⅱ中。

（2）分析方法單元15：

控制棒彈出事故及ATWSPDK-Ⅱ程序進(jìn)行事故瞬態(tài)分析內(nèi)容1）堆芯的核功率瞬態(tài)和熱瞬態(tài)計(jì)算；2）堆芯的多普勒反應(yīng)性反饋和慢化劑反應(yīng)性反饋計(jì)算；3）熱管、熱點(diǎn)的熱傳導(dǎo)計(jì)算和DNBR計(jì)算。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS假設(shè)條件：

1）為了給出保守的結(jié)果，在分析中多普勒系數(shù)保守地取用小的絕對(duì)值。2）引入的反應(yīng)性反饋也保守地選用小的絕對(duì)值。3）事故開(kāi)始，假設(shè)反應(yīng)堆處于熱態(tài)零功率（無(wú)負(fù)荷）的平均溫度，并且反應(yīng)堆正好臨界。4）反應(yīng)堆停堆時(shí)，具有最在棒的控制棒束卡在全部提出的位置上。5）在分析中所用的最大正反應(yīng)性引入率，其值大于以最大速度同時(shí)提升具有最組合價(jià)值的兩組棒時(shí)的反應(yīng)性引入率。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS控制棒組的失控提升的瞬態(tài)行為。由于觸發(fā)高核通量低值停堆而結(jié)束，其瞬態(tài)行為如圖4-32所示，所用的反應(yīng)性引入率大于最大速度提升具有最大組合棒價(jià)值且都處在最大微分價(jià)值區(qū)域的二子組棒時(shí)的反應(yīng)性引入率。分析結(jié)果：6）在DNB分析中，不僅采用大的反應(yīng)性引入率，而且采用與失控提棒過(guò)程相對(duì)應(yīng)的不利的功率分布。7)分析中所假定的初始功率水平，低于任何停堆條件下所預(yù)期的功率水平（假定的初始功率水平為10-15額定功率）。最低的初始功率水平和最大的反應(yīng)性引入將導(dǎo)致瞬態(tài)中的最大熱通量。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS圖4-23a堆功率和熱流密度圖4-32a表示事故過(guò)程中核功率響應(yīng)，雖然在瞬態(tài)中核功率峰值最大，但由于時(shí)間很短，能量釋放和燃料平均溫度的增加并不大。對(duì)DNB較重要的通量響應(yīng)也如圖4-23a所示。由于瞬態(tài)中放出的能量不是很大，而且由于燃料固有的熱滯效應(yīng)，瞬態(tài)中的熱通量峰值不是很大，瞬態(tài)中的熱通量峰值只達(dá)到了名義值。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS圖4-23b熱點(diǎn)燃料和包殼溫度圖4-32b給出了熱點(diǎn)燃料平均溫度和包殼平均溫度在瞬態(tài)中的響應(yīng)。在整個(gè)瞬態(tài)中最小DNBR都大于限值。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS單元15：

控制棒彈出事故及ATWS表4-14失控提棒事故的事件序列事故事件時(shí)間/s次臨界下的失控提棒事故開(kāi)始，10-15額定功率0.0達(dá)到功率量程核通量定值8.4核功率達(dá)到峰值8.4控制棒開(kāi)始下落8.9熱通量達(dá)到峰值9.4熱點(diǎn)包殼平均溫度達(dá)到最大值9.4熱點(diǎn)出現(xiàn)最小DNBR9.5熱點(diǎn)燃料平均溫度達(dá)到最大值9.9功率運(yùn)行條件下快速提棒功率運(yùn)行條件下快速提棒控制棒開(kāi)始提出0.0達(dá)到功率量程高通量高定值2.1控制棒開(kāi)始下落2.6熱點(diǎn)出現(xiàn)最小DNBR2.85控制棒開(kāi)始提出0.0達(dá)到超溫△T整定值43.5控制棒開(kāi)始下落49.5熱點(diǎn)出現(xiàn)最小DNBR49.84.7.1.2功率運(yùn)行時(shí)控制棒組失控提升（1）事故概述在功率運(yùn)行時(shí)失控提棒會(huì)導(dǎo)致堆芯功率升高。在蒸汽發(fā)生器的大氣釋放閥。安全閥開(kāi)啟之前，由蒸汽發(fā)生器二次側(cè)帶走的熱量滯后于堆芯功率的增加，因此引起反應(yīng)堆冷卻劑溫度增加。如果不及時(shí)停堆，則會(huì)導(dǎo)致堆芯燃料元件發(fā)生DNBR。因此，為了避免燃料元件包殼損壞，就應(yīng)該使設(shè)計(jì)的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)能夠在DNBR下降到限值之前終止該事故。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS為避免燃料元件損壞，設(shè)置了以下反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)：

1）四個(gè)功率量程通道中有兩個(gè)指示出核功率超過(guò)定值，反應(yīng)堆自動(dòng)停堆。2）四個(gè)超溫△T通道中兩個(gè)指示出超過(guò)定值，則反應(yīng)堆自動(dòng)停堆，該停堆整定值是隨軸向功率偏移、冷卻劑溫度和壓力變化而自動(dòng)變化，以防止發(fā)生DBN。3）四個(gè)超功率△T通道中兩個(gè)指示出超過(guò)定值，則反應(yīng)堆自動(dòng)停堆，該停堆整定值是隨軸向功率偏移及溫度變化而變化，以保護(hù)燃料線功率密度不超過(guò)其限值。4）四個(gè)穩(wěn)壓器壓力通道中有兩個(gè)指示出其水位超過(guò)定值，則高壓信號(hào)使反應(yīng)堆自動(dòng)停堆。5）四個(gè)穩(wěn)壓器高水位通道中有兩個(gè)指示出其水位超過(guò)定值，則反應(yīng)堆自動(dòng)停堆。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS

除了上面列出的停堆保護(hù)外，還有下面的停止提棒信號(hào)：四個(gè)高核通量信號(hào)通道中有兩個(gè)超過(guò)定值。四個(gè)超溫△T信號(hào)有兩個(gè)超過(guò)定值。四個(gè)超功率△T信號(hào)有兩個(gè)超過(guò)定值。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS（2）分析方法該事故由RETRAN程序分析，計(jì)算包括溫度、壓力及反應(yīng)堆功率變化特征和事故過(guò)程中的DNBR變化。主要假設(shè)有：1）初始條件考慮壓力誤差、溫度誤差和功率誤差。2）分析兩種反應(yīng)性反饋。a.最小反應(yīng)性反饋，在反應(yīng)堆壽期初假定一個(gè)最小絕對(duì)值的負(fù)慢化劑溫度系數(shù)和多普勒系數(shù)。b.最大反應(yīng)性反饋，在反應(yīng)堆壽期初假定一個(gè)最大絕對(duì)值的負(fù)慢化劑溫度系數(shù)和多普勒系數(shù)。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS3）高核通量保護(hù)定值為正常功率的118%，超溫△T和超功率△T包括所有儀表不利因素和整定值誤差。4)停堆時(shí)引入的停堆價(jià)值考慮到最大價(jià)值的控制棒組件被卡住在完全抽出的位置。5）失控提棒時(shí)，最大的反應(yīng)性引入速率大于兩組具有最大組合反應(yīng)性的控制棒組同時(shí)以最大速率抽出所引起的價(jià)值。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS（3）分析結(jié)果

下圖給出了滿功率運(yùn)行時(shí)失控快速提棒和失控慢速提棒的瞬態(tài)響應(yīng)。在失控快速提棒事故中，反應(yīng)堆由高核通量保護(hù)停堆。因?yàn)樗矐B(tài)過(guò)程十分迅速，因此堆冷卻劑平均溫度和壓力變化很小，最小DNBR大于限值。(a)冷卻劑平均溫度單元15：

控制棒彈出事故及ATWS(b)堆功率滿功率失控提棒分析結(jié)果單元15：

控制棒彈出事故及ATWS（c）RCS壓力(d)DNBR滿功率失控提棒分析結(jié)果單元15：

控制棒彈出事故及ATWS滿功率下失控提棒最小DNBR隨反應(yīng)性引入速率的變化下圖給出了額定功率功率運(yùn)行時(shí)具有最大和最小反應(yīng)性反饋情況下的作為反應(yīng)性引入速率的最小DNBR,可以看到高核通量以及超溫△T保護(hù)對(duì)所有的反應(yīng)性引入速率提供可靠的停堆保護(hù)，最小DNBR從未低于限值（1.30）單元15：

控制棒彈出事故及ATWS60%滿功率下失控提棒最小DNBR隨反應(yīng)性引入速率的變化

下面兩個(gè)圖分別表示在60%和25%額定功率時(shí)反應(yīng)性引入速率與最小DNBR的關(guān)系。同樣最小DNBR不低于限值。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS25%滿功率下失控提棒最小DNBR隨反應(yīng)性引入速率的變化單元15：

控制棒彈出事故及ATWS從圖中可以看到，在高反應(yīng)性引入速率時(shí)，堆芯核通量上升很快，而由于高核通量信號(hào)停堆，但由于燃料和冷卻劑系統(tǒng)液體熱熔的影響，堆芯熱流密度滯后于核通量的增加，因此，仍維持較高的最小DNBR值和變化很小的反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力以及溫度值。隨著反應(yīng)堆冷卻劑溫度的增加，最終由超溫△T停堆，其最小DNBR也不小于限值。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS無(wú)論高核通量保護(hù)或超溫△T保護(hù)，燃料峰值溫度也都不超過(guò)其溶化溫度，也不出現(xiàn)DNB。對(duì)于各種可能的反應(yīng)性引入速率，高核通量和超溫△T為反應(yīng)性得供了可靠的停堆保護(hù)，最小DNBR值始終大于限值。由于不出現(xiàn)DNB，在本事故中只的最低限度的放射性后果，大大小于蒸汽管道破裂造成的放射性后果。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS4.7.2控制棒彈出事故定義：

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封罩殼的破裂，使得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?。后果：由于快速引入反?yīng)性，造成堆內(nèi)核功率激增，使燃料元件發(fā)生很大變化，形成堆芯很大的功率不均勻因子，因此會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大的局部功率峰值。同時(shí)，造成一個(gè)小破口失水事故（當(dāng)量直徑82mm），從失水事故角度來(lái)看，后果不嚴(yán)重。分析對(duì)象：反應(yīng)性引入單元15：

控制棒彈出事故及ATWS事故描述：

開(kāi)始的短時(shí)間內(nèi)，功率激增產(chǎn)生的大部分能量?jī)?chǔ)存在UO2芯塊內(nèi)部，將使最熱的芯塊熔化，釋放出的氣體在燃料棒內(nèi)部形成高壓，使燃料棒瞬時(shí)破裂。熱能—〉機(jī)械能—〉沖擊波—〉造成堆芯和一回路系統(tǒng)的損壞熱量傳遞到元件包殼，可造成部分包殼發(fā)生DNB，可能影響堆芯完整性。熱量傳遞到冷卻劑，冷卻劑系統(tǒng)溫度和壓力升高，形成一回路壓力高峰。彈棒事故的主要特征是功率脈沖，其關(guān)心的主要問(wèn)題是燃料破損問(wèn)題。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS彈棒事故下燃料溫度的熱通道分析結(jié)果

中心溫度燃料平均溫度包殼外表面溫度單元15：

控制棒彈出事故及ATWS分析方法：采用PDK-II程序分析。步驟：①計(jì)算堆芯通道

②熱點(diǎn)分析表征彈棒事故嚴(yán)重程度的參數(shù)：

1、包殼溫度

2、燃料芯塊焓值

3、鈾芯塊溫度

4、一回路壓力單元15：

控制棒彈出事故及ATWS影響參數(shù)的因素：

1、彈棒價(jià)值2、緩發(fā)中子有效份額3、燃料溫度反應(yīng)性系數(shù)4、慢化劑溫度反應(yīng)性系數(shù)5、功率不均勻系數(shù)6、燃料間隙熱阻等單元15：

控制棒彈出事故及ATWS影響參數(shù)的選?。?）彈棒價(jià)值和熱管因子取大；（2）燃料和慢化劑溫度反應(yīng)性系數(shù)取絕對(duì)值最??；（3）緩發(fā)中子有效份額取小；（4）停堆反應(yīng)性中扣除彈出控制棒的反應(yīng)性，并作一束最大價(jià)值控制棒卡在堆外的假定；（5）反應(yīng)堆保護(hù)停堆由高中子通量或中子通量高的正變化速率觸發(fā)。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS驗(yàn)收準(zhǔn)則：彈棒事故有的驗(yàn)收準(zhǔn)則有兩套，一套是美國(guó)核管會(huì)制定的，另一套是西屋公司自己采用的。美國(guó)核管會(huì)制定的驗(yàn)收準(zhǔn)則是：（1）芯塊儲(chǔ)能的限制：不允許導(dǎo)致任一燃料棒的任何軸向位置芯塊平均截面焓大于280卡/克。

美國(guó)核管會(huì)作過(guò)研究，不論輻照過(guò)或未輻照的鋯包殼二氧化鈾燃料，只要平均截面焓值小于300卡/克，就不會(huì)發(fā)生吸顯著破裂，所以，保守地取280卡/克作為芯塊儲(chǔ)能的限值。（2）任何階段，一回路系統(tǒng)最高壓力小于ASME規(guī)范規(guī)定的“工作極限C”的壓力值，即120%的設(shè)計(jì)壓力。（3）按保守假設(shè)，放射性后果限值為：全身劑量60mSv，甲狀腺劑量750mSv。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS西屋公司的驗(yàn)收準(zhǔn)則：（1）芯塊儲(chǔ)能限制：熱點(diǎn)平均焓，未輻照燃料不超過(guò)225卡/克，輻照過(guò)燃料不超過(guò)200卡/克。（2）包殼溫度低于2700華氏度，就是1482攝氏度。

（3）一回路壓力低于110%設(shè)計(jì)值。（4）任一高度上，燃料棒熔化的份額不超過(guò)10%

（熔化溫度為2590攝氏度）。秦山核電廠和大亞灣核電站基本依據(jù)西屋公司的標(biāo)準(zhǔn)。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS分析結(jié)果大亞灣核電廠彈棒事故四種工況主要參數(shù)曲線結(jié)果：（a）滿功率時(shí)（b）零功率時(shí)彈棒事故功率響應(yīng)單元15：

控制棒彈出事故及ATWS彈棒事故燃料熱點(diǎn)溫度響應(yīng)（a）滿功率時(shí)（b）零功率時(shí)單元15：

控制棒彈出事故及ATWS彈棒事故的RCS壓力響應(yīng)單元15：

控制棒彈出事故及ATWS核電廠設(shè)計(jì)要求為避免和緩解彈棒事故，核電廠設(shè)計(jì)中除考慮采用多樣化，冗余的停堆保護(hù)信號(hào)（如高中子通量，超溫，超功率，高升功率速度，穩(wěn)壓器高壓等）外，還應(yīng)做到：（1）保證控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封殼套設(shè)計(jì)加工可靠，此殼套是反應(yīng)冷卻劑壓力邊界的一部分，屬核安全一級(jí)設(shè)備，在設(shè)計(jì)上應(yīng)留有足夠的安全裕量，加工制造要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢驗(yàn)，并經(jīng)過(guò)強(qiáng)度和密封性水壓試驗(yàn)，使其發(fā)生破裂的概率極小。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS（2）核設(shè)計(jì)要求控制棒在堆內(nèi)合理布置，以改善堆芯功率分布和減小功率的不均勻系數(shù)，在功率運(yùn)行下，調(diào)節(jié)硼濃度，盡量減少堆芯控制棒的數(shù)目和插入深度。在控制保護(hù)系統(tǒng)中，設(shè)立限制控制棒插入深度的報(bào)警裝置，當(dāng)控制棒插到與運(yùn)行功率水平相對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)帶下限時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，此外，還要求反應(yīng)性控制系統(tǒng)設(shè)有緊急加硼設(shè)施，它使插到低位的控制棒回到正常位置。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS4.8未能緊急停堆的預(yù)期瞬變（ATWS）定義：

指反應(yīng)堆發(fā)生了預(yù)期運(yùn)行瞬態(tài)，電廠參數(shù)偏離了正常運(yùn)行工況而要求自動(dòng)緊急停堆時(shí)，控制棒不能落下所造成的未能緊急停堆的事故。屬于IV類工況。這些工況II事件一般是指二次系統(tǒng)導(dǎo)出熱量減少事件，如正常給水喪失，外負(fù)荷喪失，汽輪機(jī)保護(hù)停車(chē)，非應(yīng)急交流電源喪失，冷凝器真空喪失及控制棒誤抽出等，其中以正常給水喪失（LOOP-ATWS）及非應(yīng)急交流電源喪失具有代表性。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS解決ATWS所帶來(lái)危險(xiǎn)有三種辦法：1.降低Ⅱ類事故頻率，實(shí)際上難于做到；2.提高緊急焦堆的可靠性，這一要求只有在安裝第二個(gè)緊急停堆系統(tǒng)時(shí)才能實(shí)現(xiàn)；3.限制ATWS所產(chǎn)生的后果，這是目前較現(xiàn)實(shí)的解決辦法。ATWS突出的特點(diǎn)：反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)升溫升壓，特別是當(dāng)蒸汽發(fā)生器蒸干后，尤其猛烈。ATWS的事故發(fā)生概率＝緊急停堆發(fā)生故障的概率×有明顯后果的事故瞬態(tài)頻率單元15：

控制棒彈出事故及ATWSATWS分析方法：選用RETRAN或RELAP5程序;采用現(xiàn)實(shí)模型。主要假設(shè)：（1）100%額定功率；（2）主蒸汽隔離閥于10秒后關(guān)閉；（3）慢化劑溫度系數(shù)取一個(gè)很小的較為現(xiàn)實(shí)的值（4）燃料溫度反應(yīng)性系數(shù)也取較為現(xiàn)實(shí)的值；（5）穩(wěn)壓器釋放閥和安全閥按設(shè)計(jì)能力考慮；（6）主泵于欠熱度小于9.3攝氏度時(shí)停運(yùn)；（7）停堆信號(hào)觸發(fā)汽輪機(jī)停車(chē)；（8）失去主給水后30秒輔助給水全流量投入。單元15：

控制棒彈出事故及ATWS分析實(shí)例（秦山核電站）：（a）堆功率LOFW-ATWS分析結(jié)果（A）（b）RCS壓力單元15：

控制棒彈出事故及ATWSLOFW-ATWS分析結(jié)果（B）（C）總反應(yīng)性（d）穩(wěn)壓器水位單元15：

控制棒彈出事故及ATWSLOFW-ATWS分析結(jié)果（C）（e）SG二次側(cè)壓力（f）SG二次側(cè)水位單元15：

控制棒彈出事故及ATWS（1）失去正常給水ATWS失去正常給水ATWS以零時(shí)刻失去主給水為先導(dǎo)約29秒后蒸汽發(fā)生器低-低水位產(chǎn)