第五章-反应性引入事故(八次课)

核安全基础核动力仿真研究中心核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology第五章反应性引入事故核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology本章概述反应性引入事故定义：快慢两种反应性调节方式的不正确运行所直接引起的事故。包括：①反应堆次临界调节棒束失控提升（Ⅱ）②反应堆功率运行情况下调节棒束失控抽出（Ⅱ）③硼酸失控稀释（Ⅱ）④功率运行情况下单个调节棒束失控提升（Ⅲ）⑤一个调节棒束弹出（Ⅳ）核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology本章概述反应性引入事故原因：机械故障、电气故障、人因故障后果：（1）DNBR下降，沸腾危机；（2）燃料元件内超功率，烧毁；（3）当不均匀时，更为严重；核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology反应性引入事故设计保护方法：设计与自动保护措施（1）不能同时提升3组棒（2）短周期保护（3）超温保护（4）超功率保护操作注意事项：（1）注意周期变化（2）注意同时观察：功率、冷却剂温度本章概述核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology第五章反应性引入事故§5.1反应性引入机理§5.2超功率瞬变§5.3超瞬发临界瞬变§5.4反应堆启动事故§5.5蒸汽管道破裂事故effeff1kk核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology第五章反应性引入事故定义：反应性引入事故是指向堆内突然引入一个意外的正反应性，导致反应堆功率急剧上升而发生的事故。这种事故如果发生在启动时，可能会出现瞬发临界，反应堆有失控的危险；如果发生在功率运行工况下，堆内严重过热，可能造成一回路系统压力边界的破坏。反应性引入事故调节方式的不正确运行所直接引起的反应性引入事故effeff1kk核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology5.1反应性引入机理反应性引入事故按潜在因素可分为：控制棒失控提升（提棒事故）控制棒弹出（弹棒事故）硼酸的失控稀释核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology5.1反应性引入机理反应性引入事故起因提棒事故控制棒不受控抽出连续引入反应性弹棒事故控制棒被破口造成内外压差弹出阶跃引入反应性硼失控稀释无硼纯水引入一回路反应性引入速率受泵的容量、管道大小和纯水系统限制•控制棒控制系统故障•控制棒驱动机构失灵•控制棒驱动器密封罩壳破裂•误操作•设备故障•控制系统失灵核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology5.1反应性引入机理启动时，可能会发生瞬发临界反应堆失控。功率运行时，堆内过热压力边界破坏。反应性引入事故后果反应性引入事故保护方式功率保护压力保护温度保护由于压水堆固有的负反馈效应和设置多重停堆保护系统，因此反应性引入事故不会对堆芯造成过份的有害影响，更不会象原子弹那样爆炸。核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology5.1反应性引入机理动态方程反应性反馈反应堆控制系统反应堆停堆系统)(t)(fbt)(ct)(sdt)(it)(tP)()()(icfetTtTtT堆芯热输运事故引入的反应性反馈引入的反应性控制系统引入的反应性停堆系统引入的反应性瞬态过程中堆芯反应性)()()()()(sdcfbitttttiiii)()(CtPdttdCeii)()()(SCtPtdttdP)(,)(itWtT核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology5.1反应性引入机理00i0)(ttttt事故引入的反应性反应性引入速率0t反应性事故引入的终止时刻0t反应性引入总量反应性引入速率的大小对反应堆安全起着重要作用反应堆达到瞬发临界所需时间反应性引入速率大，反应堆达到临界的时间就短，反应堆控制就愈难prt缓发中子份额核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology5.2超功率瞬变反应性引入事故按反应性引入速率和大小分为：准稳态瞬变超缓发临界瞬变超瞬发临界瞬变按反应性引入方式分为：阶跃变化线性变化模型：点堆动态方程核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology5.2超功率瞬变准稳态瞬变向堆内引入的反应性比较缓慢，以至于这个反应性能够被温度反馈效应和控制棒的自动调节所补偿的瞬变。准稳态瞬变0t例：满功率时控制棒慢速抽出s/1025控制系统调节量反应性反馈线性引入：反应性引入::,:0)()()(fbciicfbitttt假设停堆保护系统尚未动作反应性反馈由燃料温度反馈和冷却剂温度反馈两部分组成。核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology5.2超功率瞬变准稳态瞬变时系统响应特性1.功率变化十分缓慢，反应堆周期远远大于堆芯时间常数，因此堆内温度可以近似地用稳态分布来描述；2.反应性引入速率比较小，所以冷却剂温度和功率上升得都不太快，由冷却剂平均温度过高保护触发反应堆紧急停闭，此时功率峰值未达到超功率保护整定值（118%额定功率）；3.稳压器压力和冷却剂平均温度的上升幅度较大，最小DNBR下降比较显著，偏离泡核沸腾的裕量变小。核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology5.2超功率瞬变超缓发临界瞬变引入堆内的正反应性较快，以至反应性反馈效应和控制系统已不能完全补偿，使总的反应性大于零，但又不超过的瞬变。超缓发临界瞬变t0例：满功率时两组控制棒失控抽出s/1084系统响应特性超缓发临界瞬变功率增长曲线向上弯曲，达到118%额定功率，超功率保护紧急停堆。稳压器的压力和冷却剂平均温度变化较小。不足以损坏燃料元件(温度、压力变化较小)。核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology5.2超功率瞬变超温停堆信号超功率保护停堆信号118%堆功率冷却剂平均温度准稳态瞬变与超缓发临界瞬变的瞬态响应核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology5.3超瞬发临界瞬变瞬发临界超瞬发临界瞬变弹棒事故，极限事故（＋小破口）：反应性引入事故合并小LOCA响应特性①反应堆周期远远小于堆芯时间常数，堆内传热近似为绝热过程，大量的热能积聚在堆芯；②堆功率呈指数规律增减;引入的反应性很大，超过了瞬发临界的程度所引起的堆内瞬变。忽略缓发中子，堆功率瞬态响应示意图核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology5.3超瞬发临界瞬变响应特性③功率峰值反比于中子代时间，快堆功率峰值较压水堆大，压水堆功率峰值比重水堆大；④功率峰值反比于瞬发反应性系数，负的反应性系数对拟制堆功率增长及反应堆稳定性有重要的作用；⑤产生功率振荡现象；⑥造成堆芯功率分布的严重畸变。核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology5.3超瞬发临界瞬变功率振荡现象事故开始时，由于功率很低，随着反应性的不断引入，周期变短，功率上升速率增加，到达一定程度出现反应性反馈效应，且越来越明显，使反应性减小，变为负值时，功率转而下降，于是在某一时刻出现第一个功率峰值；之后，随着功率的下降，反馈效应减弱，反应性出现正值，开始了第二功率峰值的增长过程；由于缓发中子的存在，使得功率振荡逐渐衰减，最终达到一个平衡值。核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology5.3超瞬发临界瞬变弹棒事故定义控制棒驱动机构密封罩壳的破裂，使得全部压差作用到控制棒驱动轴上，从而引起控制棒迅速弹出堆芯的事故。后果由于快速引入反应性，造成堆内核功率激增，使燃料元件发生很大变化，形成堆芯很大的功率不均匀因子，因此会出现一个大的局部功率峰值。同时，造成一个小破口失水事故（当量直径82mm），从失水事故角度来看，后果不严重。分析对象：反应性引入核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology5.3超瞬发临界瞬变事故描述开始的短时间内，功率激增产生的大部分能量储存在UO2芯块内部，将使最热的芯块熔化，释放出的气体在燃料棒内部形成高压，使燃料棒瞬时破裂。热能—〉机械能—〉冲击波—〉造成堆芯和一回路系统的损坏热量传递到元件包壳，可造成部分包壳发生DNB，可能影响堆芯完整性。热量传递到冷却剂，冷却剂系统温度和压力升高，形成一回路压力高峰。弹棒事故的主要特征是功率脉冲，其关心的主要问题是燃料破损问题。核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology5.3超瞬发临界瞬变1.热点处燃料芯块比焓不得超过942kJ/kg，对于辐照燃料必须低于837kJ/kg。2.系统峰值压力不超过设计压力的110%。3.热点的包壳温度低于未氧化包壳开始显著脆化的温度1482℃。4.进入DNB的燃料棒数不超过燃料棒总数的10%。经验性准则核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology5.3超瞬发临界瞬变弹棒事故下热通道燃料温度变化1482℃中心温度燃料平均温度包壳外表面温度核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology5.4反应堆启动事故反应堆启动事故是指在反应堆启动过程（尤其是初次启动）中，由于设备故障或操作错误引起控制棒失控抽出，以一定反应性引入速率向堆内持续引入反应性，致使反应堆从次临界迅速达到临界、又变为瞬发临界的事故。反应堆启动事故是一种十分容易发生又十分危险的、典型的反应性引入事故。反应堆启动是通过向堆内引入反应性（提升控制棒，增加燃料棒数目等），使keff从小于1到等于1和大于1，最后稳定在所需功率水平的过程。核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology0tP4107333.0反应堆启动过程中，随着堆内反应性的增加，反应堆功率相应上升。在达到瞬发临界之前，功率上升速度比较缓慢；一旦接近瞬发临界，功率增加异常迅速。5.4反应堆启动事故核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology5.4反应堆启动事故控制反应性引入速率是确保反应堆启动安全的关键。反应性引入速率大小决定了反应堆达到临界和进入瞬发临界所经历时间的长短。某反应堆启动：当从临界到瞬发临界只需约1秒；当从临界到瞬发临界要经历约70秒；31055105核科学与技术学院CollegeofNuclearScienceandTechnology5.4反应堆启动事故反应堆启动事故必须依靠反应堆紧急停闭来终止。停堆信号取自于高功率水平Pt保护。因控制棒下插需要一段时间，保护功率Pt的选择直接影响功率上升幅度。保护功率Pt高于启动功率P(0)的数量级越小，周期越长，功率增长速度越慢，实现紧急停堆的时间余度越多；反之，在发生反应堆启动事故时，功率水平有十几个数量级变化，则周期很短，即使发出超功率紧急停堆，反应堆功率还是会上升到相当可观的数值。降低Pt和P(0)之间的比值有两个方法：增加外中子源强度（裕度不大），二是采用可调的功率保护整定值。核科学与技术学院Coll