1、核反應堆安全分析*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*我國我國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計基準事故，）沒有明確地考慮作為設計基準事故， 但可為設計基準事故所涵蓋的但可為設計基準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計基準事故。）沒有造成堆芯明顯惡化的超設計基準事故。事故管理*幾個概念幾個概念*美國標準協會（美國標準協會（ANSIANSI）分類法（）分類法（19701970）*正常運行和運行瞬態正常運行和運行瞬態*中等頻率事件（預

2、期運行事件）中等頻率事件（預期運行事件） 堆啟動時，控制棒組件不可控地抽出；堆啟動時，控制棒組件不可控地抽出； 滿功率運行時，控制棒組件不可控地抽出；滿功率運行時，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； 負荷過分增加；負荷過分增加； 隔離環路再啟動；隔離環路再啟動； 甩負荷；甩負荷； 失去外電源；失去外電源； 一回路卸壓；一回路卸壓； 主蒸汽系統卸壓；主蒸汽系統卸壓； 滿功率運行時，安注系統誤動作，等。滿功率運行時，安注系統誤動作，等。 * *極限

3、事故極限事故*美國核管會（美國核管會（NRCNRC）分類法）分類法*l 給水系統故障使給水溫度降低；給水系統故障使給水溫度降低；l 給水系統故障使給水流量增加；給水系統故障使給水流量增加；l 蒸汽壓力調節器故障或損壞使蒸汽流蒸汽壓力調節器故障或損壞使蒸汽流量增加；量增加；l 誤打開蒸汽發生器卸放或安全閥；誤打開蒸汽發生器卸放或安全閥；l 安全殼內、外蒸汽管道破損。安全殼內、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二回路系統排熱增加初因事件二回路系統排熱增加初因事件*MSFW二回路系統排熱減少初因事件二回路系統排熱減少初因事件*反應堆冷卻劑系

4、統流量減少處因事件反應堆冷卻劑系統流量減少處因事件*反應性和功率分布異常初因事件反應性和功率分布異常初因事件*反應堆冷卻劑裝量增加初因事件反應堆冷卻劑裝量增加初因事件*反應堆冷卻劑裝量減少初因事件反應堆冷卻劑裝量減少初因事件*系統或設備的放射性釋放初因事件系統或設備的放射性釋放初因事件*未能緊急停堆的預計瞬變（未能緊急停堆的預計瞬變（ATWSATWS）初因事件）初因事件*彈棒事故彈棒事故控制棒驅動機構密封罩殼的破裂，使全部壓差作用到控制棒驅動軸控制棒驅動機構密封罩殼的破裂，使全部壓差作用到控制棒驅動軸上，從而引起控制棒迅速彈出堆芯的事故。上，從而引起控制棒迅速彈出堆芯的事故。由于快速引入反應性

5、，造成堆內由于快速引入反應性，造成堆內核功率激增核功率激增，使燃料元件發生很大，使燃料元件發生很大變化，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，因此會出現一個大的局部因子，因此會出現一個大的局部功率峰值。功率峰值。同時，造成疊加同時，造成疊加一個小破口失水事故一個小破口失水事故，從失水事故角度來看，后果，從失水事故角度來看，后果并不嚴重，主要是彈棒造成堆芯功率嚴重畸變。并不嚴重，主要是彈棒造成堆芯功率嚴重畸變。反應性引入反應性引入*彈棒事故特點彈棒事故特點* 彈棒事故描述彈棒事故描述*l熱點處燃料芯塊比焓不得超過熱點處燃料芯塊比焓不得超過942kJ/kg，對于輻照燃料，對于

6、輻照燃料必須低于必須低于837 kJ/kg。l系統峰值壓力不超過設計壓力的系統峰值壓力不超過設計壓力的110%。l熱點的包殼溫度低于未氧化包殼開始顯著脆化的溫度熱點的包殼溫度低于未氧化包殼開始顯著脆化的溫度1482 C。l進入進入DNB的燃料棒數不超過燃料棒總數的的燃料棒數不超過燃料棒總數的10%。彈棒事故設計的經驗性原則彈棒事故設計的經驗性原則*彈棒預防措施*硼失控稀釋硼失控稀釋*硼失控稀釋特點硼失控稀釋特點*硼失控稀釋預防措施硼失控稀釋預防措施*失流事故失流事故*失流事故起因失流事故起因*強迫流量部分喪失強迫流量部分喪失*強迫流量全部喪失強迫流量全部喪失*緩解失流事故的關鍵因素緩解失流事故

7、的關鍵因素* 核電廠嚴重事故是指核電廠嚴重事故是指核反應堆堆芯大面積燃料包殼失效核反應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, ,并引發放射性物質泄并引發放射性物質泄漏的一系列過程漏的一系列過程。 一般來說，核反應堆的嚴重事故可以分為兩大類：一般來說，核反應堆的嚴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，其發展較為緩慢，時間充分，引起堆芯裸露、升溫和熔化的過程，其發展較為緩慢，時間尺度為小時量

8、級。美國三哩島事故尺度為小時量級。美國三哩島事故 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性，引起功率陡增和燃料碎裂的過程，其發展非常迅速，大的反應性，引起功率陡增和燃料碎裂的過程，其發展非常迅速，時間尺度為秒量級。蘇聯切爾諾貝利核電廠事故時間尺度為秒量級。蘇聯切爾諾貝利核電廠事故 核電廠嚴重事故核電廠嚴重事故*嚴重事故過程和現象嚴重事故過程和現象 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，以快速卸壓的大、中破口失水事故為先導， 并發并發ECCSECCS的注射功能或再循環功能失效，的注射功能或再循環功能失

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，堆芯支撐結構失效，熔融堆芯堆芯水位下降到下柵格板以后，堆芯支撐結構失效，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地基混凝土反應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晚期超壓因不凝氣體聚集持續晚期超壓(3-5day)(3-5day)導致破裂或

10、貫穿件失效；導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條件（如失去二次側熱阱事件）堆芯冷卻不足為先導條件（如失去二次側熱阱事件）*。高壓熔堆特點高壓熔堆特點*安全殼安全殼反應堆壓力容器反應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展堆芯熔融的進展裂變產物氣裂變產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重事主要現象嚴重事主要現象*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理堆芯熔化的三種定位機理 多孔碎片床多孔碎片床*鋯水反應鋯水反應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共晶反應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域固化，并引起流道熔化部位較低的區域固化，并引起流道的流通面積減少。的流通面積減少。l隨著熔化的進一步發展，部分燃料棒之隨著熔化的進一步發展，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堆芯熔化區域不斷擴大，局部熔透。堆芯熔化區域不斷擴大，局部熔透。l熔化燃料的上部倒塌，堆芯熔融區域不熔化燃料的上部倒塌，堆芯熔融區域不斷擴大斷擴大當燃料溫度達到當燃料溫度達到1400K時，堆芯材料開始熔化。時，堆芯材料開始熔化。*堆芯熔化三種定位機理堆芯熔化三種定位機理l 熔化的材料沿棒的外表面的蠟燭狀流動和再固化熔化的材

13、料沿棒的外表面的蠟燭狀流動和再固化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碎片床成一個碎片床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*鋯水反應鋯水反應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象熔現象凝結和堆積凝結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共晶反應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、熔融進展相關現象總結堆芯加熱、熔融進展相關現象總結表面干涸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生熔融池的產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*幾個概念幾個概念*安全殼內的氫氣產生安全殼內的氫氣產生 熔融堆芯在分解地基混凝土時，堆芯與混凝土相互作用（熔融堆芯在分解地基混凝土時，堆芯與混凝土相互作用（MCCI）也會產生氫氣。也會產生氫氣。 熔融物中的鋯等金屬，引起金屬的化學反應，水蒸氣還原成氫氣熔融物中的鋯等金屬，引起金屬的化學反應，水蒸氣還原成氫氣 水中溶入放射性物質，長時間的放射分解產生氫氣水中溶入放射性物質，長時間的放射分解產生氫氣 氫氣燃燒氫氣燃燒 安全殼升溫升壓安全殼升溫升壓 金屬金屬水反應水反應 水

15、的放射性分解水的放射性分解 氫氣的分布氫氣的分布*堆芯熔融物與水反應堆芯熔融物與水反應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)對于由對于由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%)，氫氣產量的最大理論值為氫氣產量的最大理論值為1392.2kg1392.2kg。根據試。根據試驗的推論，驗的推論，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氫氣產氫氣產物，消耗水物，消耗水4300kg4300kg。*混凝土的消融反應混凝土的消融反應l 水被蒸發后，堆芯熔落物將保持高溫，開始侵蝕混凝土，產水被蒸發后，堆芯熔落物將保持高溫，開始侵蝕混凝土，產生氣體并釋放熱量。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 消融過程中產生氣體，

17、消融過程中產生氣體，氣體的運動氣體的運動將促進堆芯熔融物與混凝將促進堆芯熔融物與混凝土之間的對流傳熱，從而土之間的對流傳熱，從而加速加速混凝土的消融速率。混凝土的消融速率。l 混凝土的消融過程發生混凝土的消融過程發生吸熱吸熱化學反應，其能量比熔融物的衰化學反應，其能量比熔融物的衰變熱要大；變熱要大；l 同時，混凝土的消融過程中產生蒸汽和二氧化碳，這些同時，混凝土的消融過程中產生蒸汽和二氧化碳，這些氣體氣體又與堆芯熔融物中的金屬發生放熱又與堆芯熔融物中的金屬發生放熱反應，因此，在長時間的反應，因此，在長時間的侵蝕期間，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。*混凝土消融的化學反應有混凝土消融的化學反應有l CaCOCaCO3 3