稳压器安全阀在核电厂严重事故中的有效性分析

赖建永 王保平 韩 冰 赵 禹 曾 涛

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都610041）

0 引言

1979年三里岛核事故、1986年切尔诺贝利核事故说明，严重事故发生的概率虽然很低，但是不能排除发生的可能。特别是2011年3月11日因9级强震及其引发的海啸导致发生的日本福岛第一核电站7级核事故，再一次说明核安全设计仅以设计基准事故为限是不够的，必须考虑严重事故的预防与对策。这也属于核电领域中的墨菲定律现象。

1 严重事故管理

1.1 概述

严重事故分析表明[1]，全厂断电（SBO）、蒸汽发生器传热管破裂（SGTR）、丧失全部给水（TLOFW）等事故下如果不采取缓解措施，将可能导致发生高压熔堆，而堆芯熔融物的高压喷射将导致安全壳直接加热（DCH）。

目前，国际上普遍认为压力容器下封头失效时压力容器内压力不超过2.0 MPa可以有效地避免高压熔堆，避免对安全壳完整性的严重威胁。压力同期失效示意图见图1。

图1 压力容器失效图

1.2 严重事故处理措施

目前，国际共识的严重事故管理对策为采用主动卸压措施来降低严重事故工况下反应堆冷却剂系统（RCS）的压力，其中卸压时间包括两种窗口策略：

早期卸压：在蒸汽发生器排空时开启稳压器安全阀卸压；

晚期卸压：在堆芯出口温度超过650℃时开启安全阀卸压。

由于“晚期卸压”可以使操纵员有更充足的时间启动严重事故缓解措施，并延缓由于早期卸压引起的堆芯水量流失，因此，国际上大多数电厂都采取“晚期卸压”策略。

我国在役的M310型核电机组采用稳压器安全阀（SRV/PORV）卸压功能延伸来完成严重事故下的卸压，避免高压堆芯熔融物喷射。在事故发生后，当探测到堆芯出口温度达到650℃后，产生报警信号，进入U1规程，操作员手动强制开启稳压器SRV/PORV进行事故卸压，从而降低一回路系统压力。

1.3 技术障碍

由于SRV/PORV的结构特性，采用其卸压功能延伸来完成严重事故下的卸压存在下列技术障碍：

（1）SRV/PORV先导箱在严重事故工况下的有效性；

（2）电磁驱动装置的有效性、失电保持开启状态；

（3）可靠电源及时效性。

1.3.1 先导箱在严重事故工况下的有效性

SRV/PORV先导箱的设计温度仅150℃，先导箱中的梭阀（见图2和图3）内设有多个不可替代的动密封件，其材料为非金属（橡胶类）。因先导箱结构中采用了不能承受高温、高剂量、抗老化性能有限的橡胶动密封件等易损件，易失效，相关分析表明，多相流（冷凝水、高温水、汽水两相流、蒸汽等）在SRV/PORV启闭约100次后，先导箱将因高温介质导入而损毁。虽然，供货厂家提供的分析表明：先导箱将最终损毁在开启状态，但目前还没有提供各零部件的可靠性及有关橡胶密封圈损毁后是否会导致先导箱介质流道堵塞等分析报告。

图2 稳压器安全阀运行原理图

图3 稳压器安全阀先导箱梭阀结构图

1.3.2 电磁驱动装置的有效性

SRV/PORV电磁驱动装置只经过了1E级的K1鉴定，不能确保电磁驱动装置各组件在严重事故工况下的有效性，包括功能（启闭动作）是否有效、性能是否可靠（位置指示器、电磁驱动装置本体性能、控制及电源线缆等在严重事故工况下的有效性）、在严重事故工况下能否保证开启梭阀的驱动力（驱动力的稳定性等）、如何克服电源丧失SRV/PORV自动关闭等问题。此外，电磁驱动装置还存在能否长时间带电运行、没有持续带负荷运行最长时间等问题。

1.3.3 可靠电源及时效性

确保在严重事故工况下电磁驱动装置电源的可靠性是该技术的又一关键技术。目前没有查到国际上的相关技术资料。

1.4 应对严重事故的有效性分析

我国在役的M310型核电机组稳压器安全阀基本都采用了法国SEBIM公司的SRV/PORV先导阀，因该阀已经具备手动启闭功能，满足严重事故工况下手动开启条件，具备排汽、排水以及汽水混合物的能力。所以，目前我国在役的M310型核电机组设计技术，均拟采用稳压器安全阀卸压功能延伸来执行严重事故工况下一回路卸压功能。

根据上文分析，为保证SRV/PORV在严重事故下完成卸压，提出下列几点改进措施：

（1）保证主阀的有效性；

（2）保证先导箱的有效性；

（3）改进电磁驱动装置；

（4）改进电源。

1.4.1 保证主阀的有效性

SRV/PORV主阀活塞腔中活塞环及阀杆导向结构件（见图4）均采用了石墨基材料，基本不会出现卡滞现象，不受环境温度、压力、湿度、放射性剂量等参数影响。因此SRV/PORV主阀的结构设计、材料选择等均能保证其在严重事故工况下的有效性。

图4 稳压器安全阀主阀结构

1.4.2 保证先导箱的有效性

严重事故工况下安全壳内的环境条件对先导箱的影响很小，如在严重事故工况下先导箱的外部环境温度为安全壳内环境温度，其不超过180℃（155～180℃），所以，主要考虑先导箱内部高温介质对其有效性的影响。

SRV/PORV每启闭一次消耗冷凝罐中低温介质约0.1 L，先导箱冷凝罐实际容积为9.2 L，大约能启闭100次。根据严重事故及概率安全评价专业的分析，从事故发生后安全阀第一次启跳一直到堆芯出口温度达到650℃进入U1规程操作人员手动启动该阀，该阀启跳次数小于20次，第二组安全阀启跳次数少于2次，其间单组安全阀消耗水量小于2 L，而先导箱冷凝罐容积为9.2 L。因此，在严重事故工况下，操作人员手动强制开启该阀时先导箱处于有效状态。

1.4.3 保证电磁驱动装置的有效性

电磁驱动装置是主动式远程干预该阀的唯一方式，改进电磁驱动装置的主要要求如下：

（1）为保证在严重事故工况下能手动开启并能提供足够的驱动力；

（2）为减少在严重事故工况下对可靠电源的依赖性，当丧失电源的工况下，能可靠地保持失去电源前的启闭状态；

（3）经过严重事故工况试验鉴定。

目前，法国EDF与SEBIM联合研制了新型电磁驱动装置（见图5）并已完成了严重事故工况下的试验鉴定。该新型电磁驱动装置主要改进为，在丧失电源或安全壳内电缆恶化情况下，必须具备保持原有状态的功能。所以，法国EDF与SEBIM阀供货厂家联合研制的新型电磁驱动装置具有断电保持位置状态（解决了断电关阀问题），还可通过滚珠式线控传动装置（柔性轴）驱动先导箱

图5 新型电磁驱动装置结构图

此外，该新型电磁阀驱动装置也满足了系统改进的如下要求：

（1）不改变安全阀正常启闭功能和强制开闭功能；

（2）不增加非正常开启风险；

（3）在正常运行工况下，不增加持续开启的风险；

（4）减少对现有设计的影响，保持原有接口及运行机理；

（5）降低人因影响风险。

在操作人员主动干涉时，只须保证在U1规程执行初期短时供电，后期可由电磁驱动装置的永磁体来保持其开启状态，后期电源状态不会影响其开启状态。

1.4.4 提高可靠电源保障时间

目前，采用的电磁驱动装置要求可靠电源供给时间一直保持至事故末期（PRV下封头熔穿前，不小于3 h）。若采用改进的电磁驱动装置，在操作人员手动开启安全阀后就可不考虑为其供电的要求，这将降低在严重事故工况下对可靠电源的依赖性，但开启时间（事故序列分析时间）发生时间小于且近2 h，所以，其可靠电源保障时间也至少需要2 h，或者其供电时间窗口应保证该阀的启动时间段一致。

2 结语

我国M310型核电机组采用国际上新型电磁驱动装置进行技术改进，可提高现有M310型核电机组应对严重事故的可用性及有效性，从而提高核电站应对严重事故的能力。