堆芯事故冷卻系統

堆芯事故冷卻系統是為了對付失去冷卻水事故而採取的安全措施。為確保反應堆及其冷卻劑系統系統能正常啟動、運行和關閉，在堆芯冷卻系統或冷卻劑系統出現故障時，反應堆應即停閉。停堆後由備用應急冷卻系統將活性區的剩餘熱量帶出，此系統稱為堆芯事故冷卻系統。此系統中的高壓貯水罐能自動向堆芯榷柱加硼水， 並有大流量的低廠萬泵使堆芯處於水淹沒狀態。

基本介紹

• 中文名：堆芯事故冷卻系統
• 外文名：Core emergency cooling system
• 所屬領域：核能術語

失水事故中緊急堆芯冷卻系統可靠性分析

基於 GO-FLOW法的失水事故中緊急堆芯冷卻系統可靠性分析

緊急堆芯冷卻系統(ECCS)是壓水反應堆的一重要的安全保障系統 ,在壓水反應堆發生失水事故(LOCA)後 ,當一迴路系統壓力降到一定值時 ,會啟動 ECCS 確保堆芯得到有效冷卻。ECCS 系統啟動後 , 會做出不同的回響來完成其在不同階段的任務 ,在這一動態過程中其可靠性也表現出明顯的動態特性。這種明顯的動態性使得研究在失水事故中 ECCS 的可靠性成為一個較困難的問題。

傳統分析系統可靠性的方法有故障樹法(FTA)和事件樹法(ETA)。FTA/ETA 在系統可靠性分析中套用非常廣泛 ,但它本質上是一種靜態分析方法, 在處理時間 、過程量、人因等方面存在明顯弱點和局限性, 難以解決系統安全性的動態特性問題。

GO-FLOW法是一新的機率風險評價方法,它能夠處理時間相關性問題,以緊湊的方式處理階段任務問題。一複雜的階段任務分析問題能使用簡單的GO-FLOW模型完成 ,且經簡單運算,得到與時間相關的系統可用度 ,從而得到系統在各個時間點上的風險。GO-FLOW法已套用於船用反應堆設備冷卻水系統(CCWS)的可靠性分析。

GO-FLOW法的基本原理

GO-FLOW法採用圖形演繹的方式,以成功作為系統的導向,根據部件系統的功能選擇相應的GO-FLOW運算符直接將系統的原理圖轉換為模型圖,並計算系統各種狀態發生的機率。GO-FLOW法的主要步驟是建立GO-FLOW圖和進行GO-FLOW運算。為對系統建模,定義了10類常用的運算符(圖1)。運算符的類型序號通常大於20,目的是區別GO法中的運算符類型。

GO-FLOW運算符的功能不同於GO法中的運算符,因GO-FLOW中的信號的含義完全不同於GO法。GO-FLOW中的信號用來描述物理變數、時間及信息,而GO法中信號用來表示狀態的發生或改變。

圖1

ECCS的 GO-FLOW法可靠性分析

ECCS由3個水源、2個水泵、1個換熱器和各種閥門組成。ECCS的原理圖示於圖2。ECCS系統的功能為:當一迴路管道或設備發生破損事故(即失水事故)時,向反應堆堆芯注入一定流量的冷卻水,以阻止堆芯熔化,確保反應堆的安全。

圖2

在套用GO-FLOW法對ECCS進行建模分析時,首先需根據系統的工作原理定義時間點。表1為LOCA發生後對ECCS的時間點的定義。

表1

由圖1、表1繪出其GO-FLOW圖(圖3)。圖3中,3個水源用代表單信號發生器的類型25操作符表示,各部件的控制信號也由類型25操作符表示;控制閥A、B、D、E、F、H屬於有開關動作的閥門,用類型39操作符表示;控制閥C、G、I是常閉閥門,用類型27操作符表示;止回閥和濾網屬於兩狀態元件,用類型21操作符表示;兩台泵既屬於常閉元件也是隨時間失效的工作元件,故用類型26和35操作符表示;需注意的是,類型35操作符的次輸入信號是兩個時間點間的時間間隔,因此,編號為8和10的信號發生器表示兩個時間點間的間隔;換熱器是隨時間失效的工作元件,用類型35元件表示。

圖3

對運行的可修系統,設部件的故障率為λ,修復率為μ,初始狀態P(0)=則每個部件的成功機率為:

P(t)=μ/λ+μ -[μ-(μ+λ)]/μ+λ

exp[ -(μ+λ)t] (1)

由式(1)可求出部件在不同時間點的成功機率。然後根據ECCS的GO-FLOW圖,結合表2列出的可靠性數據,可求出ECCS在不同時間點上的成功機率。GO-FLOW方法的運算過程是從信號發生器開始,沿信號線序列,按運算規則,逐個對操作符計算輸出信號在所有時間點的強度,直到最終信號。注意在計算31號和35號操作符後的信號時要按共有信號的計算方法進行計算。結果列於表3。

表2和表3

結論

圖4示出了LOCA下的ECCS的故障機率隨時間的變化。

圖4

從圖4可看出,在LOCA發生後,ECCS的故障機率隨時間變化較大,且4個變化過程中有3個均是系統故障機率隨時間而上升,而從時間點4到5的過程,系統的故障機率隨時間降低,這是因為在時間點5,系統的2個水源同時啟用,且2台泵同時工作,這種並聯冗餘的結構大幅提高了ECCS的可靠性。因此,若想進一步提高ECCS的可靠性可通過增加該系統中關鍵部件的冗餘度的途徑。

總結套用GO-FLOW法分析系統可靠性的步驟為:

1)對系統的結構、運行流程和工作原理進行分析,作出其原理圖;

2)根據系統的工作原理定義時間點;

3)根據原理圖和系統中部件的特性選擇合適的GO-FLOW操作符對系統進行GO-FLOW建模;

4)根據GO-FLOW法運算規則對系統在每一時間的成功機率進行計算;

5)計算結果的分析。

套用GO-FLOW法分析了壓水堆ECCS的發生LOCA事故時的動態可靠性,計算結果表明,在LOCA發生後,ECCS的可靠性會隨時間發生較大變化,而GO-FLOW法能較好的分析計算動態系統的可靠性,是一種有效實用的可靠性分析方法。