AP1000防误稀释设计方案分析

AP1000防误稀释设计方案分析

朱军军

三门核电有限公司浙江台州317112

摘要：反应性控制直接决定核电站的安全运行。本文通过归纳堆芯误稀释产生的原因及对反应性影响的分析，结合VVER1000防误稀释设计，详细介绍了AP1000防误稀释设计方案，同时对运行人员在进行反应性相关操作时提出建议。

关键词：误稀释；反应性；停堆裕度；联锁

引言

核电站的三大安全目标包括堆芯冷却、反应性控制和放射性包容。为实现三大安全目标，各个核电站都设置有相应的控制系统，在反应性控制方面，设置有用来缓解反应性事故后果的相关安全系统、安全措施（包括事故规程、技术规格书等）和堆芯的固有安全性。可能引起反应性事故的初始事件主要包括弹棒事故、堆芯过冷以及误稀释引入正反应性等。本文通过对堆芯误稀释产生原因的简单分析，结合对反应性的扰动，以及与VVER防误稀释设计的对比，总结归纳出AP1000应对误稀释的措施，对设计思路进行分析，结合核电厂的运行，对运行人员在避免误稀释操作方面提出建议。

1误稀释的定义

首先介绍一下何为误稀释，其定义为：由一回路及其连接管线向一回路引入低于主回路硼浓度的低硼水或者清水，向一回路引入正反应性。

2误稀释产生的原因

在电站运行过程中，低硼水或者清水都有可能通过下述系统进入一回路，对堆芯造成稀释，引入正反应性，根据机组状态的不同，发生误稀释的原因也不同，对反应堆的影响也有很大差异。

?AP1000堆型与一回路直接相连的系统主要包括：

1)CVS——化学与容积控制系统

2)RNS——正常余热导出系统

3)PXS——非能动堆芯冷却系统

4)PSS——一回路取样系统

5)SGS——蒸汽发生器系统

?与硼稀释有关的操作

1)反应堆启动重返临界前快速硼稀释；

2)添加化学药品（联氨或KOH）；

3)除盐床树脂清洗或更换；

4)一回路或堆腔充水及清洗等。

?根据机组状态的不同，发生误稀释的原因有：

1)操纵员人为错误地向一回路注水；

2)投入未经硼化的除盐床，使一回路误稀释；

3)蒸汽发生器二次侧水或设备冷却水系统的水通过破损管道进入一回路；

4)RNS投入前未硼化；

5)换料过程中，安全壳内消防系统动作，清水进入反应堆竖井造成一回路误稀释。

3AP1000防误稀释的手段

3.1相关系统设置

鉴于误稀释所引入的正反应性对堆芯有如此强烈的影响，因此，目前国内核电站均设有防误稀释保护，针对每一条可能发生误稀释的原因，根据系统的不同，AP1000设有相应的预防手段，简述如下：

1）CVS系统——通过设计CVS系统特性和运行规程，设置仪控保护逻辑来控制除盐水通过上充管线意外进入一回路，对阳床和混床树脂冲洗和更换时，将CVS在线至WLS，防止除盐水通过净化管线进入一回路，投入新的除盐床时，进行硼化操作；

2）RNS系统——通过维持流经RNS热交换器冷却水（CCS系统）压力低于一回路冷却剂压力，防止发生破管时冷却水通过RNS系统进入一回路。在RNS投运之前，连通IRWST和RNS系统，将RNS系统硼化至与IRWST相同的硼浓度；

3）PXS系统——维持PXS系统CMT水箱、安注箱及换料水箱（IRWST）中溶液的硼浓度来确保安全系统动作时向一回路注入硼化溶液；（参照技术规格书中相关规定）

4）PSS系统——采用小流通截面管道连接至一回路，手动取样盘中的手动阀在取样时才打开，平时处于关闭状态，并且各取样管线均设有止回阀，防止液体反向流入一回路；

5）SGS系统——电厂任何运行工况下，都要确保二回路压力低于一回路压力，发生SGTR后，通过辅助喷淋来降低一回路压力，规程要求在降压过程中，一旦一回路压力低于或等于故障蒸汽发生器中的压力时，立刻停止喷淋，关闭RCS-V110A/B,CVS-V084，RCS-V001A/B来防止二回路水进入一回路系统引起稀释；

6）FPS系统——AP1000设有安全壳内消防管线，在反应堆正常运行时FPS系统安全壳隔离阀V050处于锁关状态，保证安全壳的完整性。在换料大修期间，V050处于开启状态，提供安全壳内的火灾保护，此时应该注意，一旦发生火灾，需要消防系统动作，喷淋头喷出的清水会进入反应堆竖井，通过监测堆芯液位变化确定注入堆芯的清水总量，在事故前堆芯硼浓度、硼化水源硼浓度和堆芯冷却剂总装量已知的情况下，确定需要注入堆芯的硼水总量，启动CVS上充和下泄来完成硼化操作，也可以选择RNS泵从IRWST水箱取水注入堆芯的方式来实现硼化，最终方式可以根据操作的便利性来选择。

3.2仪控设置

AP1000同时设置自动触发防误稀释保护逻辑,下图为AP1000防误稀释控制逻辑图：

图41

从上图中我们可以看出，该硼误稀释保护逻辑的实现主要是通过关闭CVS从除盐水储存箱取水的阀门，将上充泵的入口连接至硼酸储存箱。该功能的触发信号包括：源量程计数率翻倍、反应堆停堆和IDS系统24小时蓄电池组充电器入口电压低。下面对各触发信号进行分别讨论：

?源量程计数率翻倍

在模式2或3时，当反应堆处于次临界或正在进行达临界操作时，该信号用于闭锁硼稀释操作，在核功率>10-5%RTP（P6信号）时，可手动闭锁该触发信号，在核功率<10-5%RTP时，则自动解锁。在模式4或模式5时，源量程中子通量以过高的速率增加时，也用于闭锁稀释操作，但在这两种运行模式下，如果除盐水管路被隔离，则该闭锁功能将不适用。运行限制条件（LCO）要求4个源量程测量通道均可用，符合逻辑为四取二，当源量程计数率高时，除盐水与上充泵隔离并将一回路与CVS上充隔离，从而排除硼误稀释事故。在模式6时，LCO3.9.2中要求至少关闭并闭锁每一路非硼化的水流通道中的一个阀门来排除误稀释事故。

?反应堆停堆（P-4）

在所有触发停堆的功能中，要求隔离除盐水上充。这些停堆功能的隔离要求与停堆要求是一样的。在模式4和模式5时，P-4信号不需要闭锁硼稀释操作，因为源量程计数率翻倍信号已经提供了防误稀释逻辑。在模式6时，同样也不需要执行闭锁操作，因为LCO3.9.2中要求至少关闭并闭锁每一路非硼化的水流通道中的一个阀门来排除误稀释事故。

?蓄电池充电器入口电压低

失去交流电源时，除盐水同样要求被隔离，通过预设的延迟时间来防止由于电源的瞬态波动导致该信号触发，但是在厂内备用柴油发电机恢复交流电源之前该信号触发功能已经动作。失去所有交流电源的信号是通过连接在四个IE级蓄电池充电器入口的传感器来获取的（每个蓄电池充电器入口有两个传感器），符合逻辑为双重二取一，该触发功能在模式1，2，3，4，5时均可用，并且要求四个通道都有效。在模式4或模式5时，如果除盐水管路被隔离，则该闭锁功能将不适用。在模式6时，LCO3.9.2中要求至少关闭并闭锁每一路非硼化的水流通道中的一个阀门来排除误稀释事故。

VVER1000也设有防误稀释保护功能，其触发信号为：

1)反应堆停堆保护信号；

2)反应堆限功率信号；

3)所有主泵停运；

4)热段温度小于274℃；

5)ATWS。

保护动作后执行的操作包括:

关闭阀门：KBC10AA101（化容系统上充泵入口除盐水管线隔离阀），防止除盐水通过上充泵注入一回路；KBC11/12AA101（KBC水箱出口管线隔离阀），隔离除盐水箱，防止除盐水通过补水管线进入一回路；KBC20AA101（KBC泵入口除盐水管线隔离阀），防止除盐水通过KBC泵进入除气器。

停止下列顺控程序：

KBA00EC001——以6t/h的流量向一回路注入纯水

KBA00EC003——以60t/h的流量向一回路注入纯水

KBA00EC005——一回路除碱金属离子以及寿期末除硼

打开阀门：JNK21AA101（KBC泵入口硼酸供应管线隔离阀），确保向除气器供应硼酸溶液而非除盐水。

通过与AP1000防误稀释保护控制逻辑的对比，我们发现两种堆型在该保护上的设计逻辑有所差异，有以下不同：

1）AP1000未设置热段温度低触发逻辑信号

2）AP1000未设置ATWS触发逻辑信号

基于反应性控制方面考虑，我们通过对两者差异的分析，汲取其中比较好的设计，再保留自己原有的设计特色，这样在安全性方面就多了一重保障。下面就两者的不同点进行分析：

我们知道，反应堆达临界时对堆芯的温度是有要求的，即最低温度不能低于280℃，此限制条件主要是为了防止慢化剂的正温度系数。

瞬态和事故分析中规定，在反应堆装置的运行温度范围内，是不允许出现正的温度系数，但是在一回路加热过程中，是会出现正温度系数的，此时如果向堆芯引入正反应性，那对反应堆来说是非常危险的，所以达临界均是在一回路加热至热态时进行的，此时一回路温度在282℃左右，那么为了防止在加热至达临界温度之前，清水误注入堆芯引入正反应性，设置防误稀释保护是非常有必要的。虽然AP1000在达临界之前设有源量程计数率翻倍信号触发防误稀释保护，然而由于稀释操作引入的反应性具有滞后性，因此在保护动作之前，有大量清水进入一回路的风险，因此，我认为在达临界操作开始之前的加热过程中，使用温度参数来闭锁稀释操作也是很有必要的，这也可以看作是VVER1000的设计亮点。当然，AP1000在防误稀释的设计中已经综合考虑了这方面的问题，在达临界之前清水误进入一回路的可能性比较小，因此是否应该设置低温触发防误稀释保护信号是可以选择的，出于更安全方面考虑，建议在一回路加热过程中对这方面的信息加以关注。

通过对照我们还发现，AP1000仪控逻辑设置中不包括ATWS信号触发误稀释保护。因为在发生ATWS事故时，P-4信号已经存在，防误稀释保护也已触发，即CVS-136A/B关闭，V115在线至硼酸储存箱，根据规程在使用CVS上充对一回路进行硼化的过程中，不会出现除盐水通过上充管线进入堆芯的可能性。而VVER1000在设计化容系统上充泵入口接管时，分别使用了不同的管路和阀门连接除盐水箱和硼酸箱，因此发生ATWS事故后进行硼化操作时必须隔离除盐水箱，这就需要单独设置仪控逻辑来完成。AP1000虽然少了ATWS触发误稀释保护仪控逻辑，但是同样可以达到保护目的，减少了仪控逻辑自然就减少了仪控设备故障带来的影响，这也是AP1000仪控设置的特点。

4缓解误稀释的手段

AP1000在防误稀释方面有自己一套独特的设计，当然任何预防措施都不能百分百的保证堆芯不会发生误稀释，若因为保护措施失效，堆芯发生了误稀释，那么必须有相应的处理措施，确保不会造成更严重的事故后果，因此AP1000设有缓解误稀释事故的措施，简述如下：

4.1相关保护功能

误稀释向堆芯引入正反应性后会导致堆芯中子通量发生变化，反应堆功率增加，AP1000设置有相应的停堆保护信号并触发报警：

1)源量程高中子通量紧急停堆（可手动闭锁）

2)中间量程高中子通量紧急停堆（可手动闭锁）

3)功率量程低阈值紧急停堆（可手动闭锁）

4)功率量程高阈值紧急停堆

5)超温ΔT引起的紧急停堆

6)超功率ΔT引起的紧急停堆

上述停堆触发信号在堆芯意外误稀释引入正反应性后，当达到其保护定值时，保护动作，触发反应堆停堆（即P-4信号），停堆信号同时触发误稀释保护，这样便可以停止对堆芯的进一步稀释，起到保护堆芯的功能。

4.2反应堆装置的固有安全性

一旦堆芯因意外误稀释引入正反应性后，反应堆必须有能力提供足够的负反应性来确保可靠停堆，因此AP1000对反应堆的停堆裕度有明确要求。

我们知道，控制棒是控制反应性的最直接手段，当堆芯因误稀释引入正反应性后，控制棒会因为堆芯相关参数的变化动作，棒控系统对控制棒的运行也有严格的规定，简述如下：

控制棒的选择必须遵守两条原则:首先，控制棒的总价值必须满足规定的停堆裕度；其次，在正常运行期间由于控制棒在堆芯的部分插入造成的总的功率峰因子必须足够低，以满足堆芯功率分布的要求。

控制棒组设有插入低限值和低-低限值，并设有相应的报警系统，当达到相应的整定值之后，产生报警并触发相应的联锁保护动作，如果自动控制信号测量仪表或通道故障，操纵员也可以通过主控室对控制棒进行手动操作。

5结束语

目前三门核电首台AP1000机组的建设正在有条不紊的进行，各个系统的设计也在不断的完善，防误稀释的设计也已成型，即通过设置误稀释控制逻辑提供误稀释保护，通过设置CVS系统相应阀门状态确保除盐水可以在特定工况下可靠隔离，在运行规程中详细记载了除盐水隔离操作时的操作步骤，设置控制棒插入限值和停堆硼浓度建立足够的停堆裕度来防止发生误稀释时意外重返临界或超临界，设置停堆保护功能在误稀释发生后能将反应堆转入安全停堆状态。虽然AP1000对误稀释有很好的预防和缓解功能，但是如何从源头开始防止该事故的发生也尤为重要。因此运行人员在接受和反应性相关的操作任务时，不能只是机械的接受任务，需要我们清楚执行该操作的目的是什么，条件是否满足，有什么影响，出现故障时应如何应对。同时合理使用防人因工具也可以减少误操作的概率，为了三门核电的发展，需要大家共同努力。

6参考文献

1.SMG-PSAR-GL-700,R1,三门核电一期工程1&2号机组初步安全分析报告

2.WWER-1000核电站设备与系统.原子能出版社，2009

3.AP1000核电站基础培训教材电站系统与通用设备，三门核电有限公司