1,反 应 堆 工程第十一讲,（20102011学年第一学期） 主讲：杨 波,2,三哩岛事故 切尔诺贝利事故 EPR在严重事故对策上所采取的措施 AP1000在严重事故对策上所采取的措施,3,1 三哩岛事故,三哩岛核电厂二号机组(TMI2)是由巴布科克(Babcock) 和威尔科克斯(Wilcox) 设计、Metropolitan Edison公司运行的959MW电功率(880MW净电功率)压水反应堆 1978 年3 月28日达到临界，刚好在其后一年1979年3月28日发生了美国商用核电厂历史上最严重的事故4,这次事故由给水丧失引起瞬变开始，经过一系列事件造成了堆芯部分融化，大量裂变产物释放到安全壳 尽管对环境的放射性释放以及对运行人员和公众造成的辐射后果是很微小的，但该事故对世界核工业的发展造成了深远的影响5,6,7,1.1 电厂概述,反应堆基本参数 由177盒燃料组件，每个燃料组件内有208根燃料元件，按1515栅格排列燃料为是富集度2.57的二氧化铀，包壳为Zr4 3.27m直径3.65m高的反应堆堆芯 4.35米直径12.4米高的碳钢压力壳内8,两个环路，每个环路上有两个主循环泵和一台直流式蒸汽汽发生器。
一次冷却剂运行压力为14.8MPa，出口温度为319.4 反应堆压力由一个稳压器维持稳压器通过一个电动泄压阀(PORV)与反应堆冷却剂排放箱相连 专设安全设施包括反应堆控制棒，高压注入应急堆芯冷却系统(ECCS)，含硼水箱和安全壳ECCS再循环水坑等9,10,11,12,1.2 事故过程,1979年3月28日早晨4点反应堆运行在97额定功率下运行工作人员正在维修净化给水的离子交换系统事故是由凝结水流量丧失触发给水总量的丧失而开始的 凌晨4时零分37秒主汽轮机跳闸所有应急给水泵全部按设计要求启动，但实际上流量因隔离阀关闭而受阻13,反应堆继续在满功率下运行，一回路温度和压力上升，三秒钟后达到稳压器电动泄压阀整定值15.55MPa 8秒后，反应堆一回路压力达到紧急停堆整定值而自动紧急停堆随着反应堆紧急停堆，反应堆冷却系统经历预期的冷却剂收缩、装水量损失，一回路系统压力下降14,大约在13秒钟时，压力达到稳压器泄压阀关闭整定值，它应该关闭但未能关闭控制室内一个指示灯有所反映，但没有该阀状态的直接指示，操纵员误以为该阀门已被关闭一回路冷却剂就以大约0.0126m3/s的初始速率向外漏水，蒸汽发生器水位在下降，相当小破口失水事故。
15,在二回路，虽有三台应急给水泵在运行，但在例行试验时，泵向蒸汽发生器供水管路上的两个隔离阀忘记打开了，没有水能达到蒸汽发生器失去了二次侧热阱，反应堆一回路系统继续在加热，蒸汽发生器水位继续在下降，逐渐干涸16,当进入事故大约2分钟时，高压注入系统(HPI)自动触发从换料水箱抽含硼水送入堆芯，但是只运行了2分钟左右，操作人员就关闭了一台HPI泵造成注入的水流量率小于通过电动泄压阀所损失的冷却剂损失速率操作人员这样操作是因为他们看到稳压器中出现了高水位指示，误认为一回路水量太多17,操作人员担心水位达到稳压器完全充满水(实心稳压器)的状态在正常情况下，实心的稳压器是无法完成系统压力的控制功能的实际上，稳压器的高水位指示是假信号，电动泄压阀开启后，反应堆冷却剂系统中形成了分散的或分布的空泡，造成水急剧涌入稳压器18,操作人员不知道LOCA事故在继续由于蒸汽含量的增加，反应堆主泵出现了剧烈震动在事故大约73分钟时，操作人员关闭了B环两台主泵，以避免主泵和相关管路的严重损坏，特别是防止泵轴时损坏造成Seal Loca19,在100分钟时关闭了A环路内的反应堆冷却剂主泵至此，主系统的强迫循环全部中断。
操作人员期望能够依靠自然循环来避免堆芯过热，但自然循环未能建立 堆内冷却剂已不足于完全复盖堆芯衰变热继续蒸干冷却剂大约在主泵停关后10分钟，反应堆冷却剂出口温度迅速上升，超过仪表量程范围20,在事故后大约2.5小时，反应堆堆芯相当大部分已裸露，并经受了持续的高温这种工况导致了燃料损坏，堆芯裂变产物大量释放以及氢气的生成，堆芯已严重损坏 3月28日16时30分，公司管理部门指示电厂工作人员提高反应堆冷却剂系统的压力，以消除空泡21,直至事故后15小时50分钟成功地实现了强迫循环一回路系统压力稳定在6.9至7.6MPa表明了事故序列的结束22,23,1.3 三个时期堆芯裸露,事故发生后约100分钟，堆芯至少有1.5米裸露大约1小时这是堆芯受到主要损坏的时期，此时发生强烈的锆汽反应，产生大量氢气，同时有大量气体裂变产物从燃料释放到反应堆冷却剂系统中 在事故发生后约7.5小时，堆芯大约有1.5米裸露了很短一段时间，与第一时期相比，燃料温度可能低得多24,大约是在事故发生后11小时，此时堆芯水位降低到2.1米与2.3米之间，此段时间长约13小时，在此期间，燃料温度再次达到很高的数值 估计Zr氧化了3040，堆芯上部三分之一严重损坏，燃料温度升高到1350与2600之间。
25,1.4 释放量和释放途经,估计事故中大约70惰性气体(主要是Xe133)，30的碘和50的铯以及少量其它裂变产物释放进入了主冷却系统 部分放射性物质通过开启的泄压阀进入了安全壳底部的泄压箱26,15分钟后泄压箱满溢，爆破阀破裂，放射性水进入地坑，从而裂变气体进入安全壳此后，开始时曾有一部分放射性水被泵唧送至辅助厂房内的排水箱，造成部分放射性外逸27,另一条释放途径是操纵员打开主系统下泄系统而造成的操作人员认为主系统水量过多，打开了下泄系统，将部分冷却剂经净化系统引入容积控制箱，从而与除气系统相通除气系统将释出的气体压缩至衰变箱并经过滤器排向烟囱事故中主系统产生大量气体，使得除气系统超载，结果气体便从容积控制箱的安全阀排出28,1.5 剂量后果,事故中运行人员接受了略高的辐射但总剂量仍十分有限对主冷却剂取样的人员可能受到3040mSv辐照，事故中无人受伤和死亡 厂外80公里半径内200万人群集体剂量估计为33人Sv，平均的个体剂量为0.015mSv最大可能的厂外剂量为0.83mSv29,三哩岛事故中释放出的放射性物质如此之少，说明安全壳十分重要虽然安全壳并不能绝对不泄漏，但基本上没有受到机械损伤。
由于安全壳喷淋液中添加了NaOH，绝大多数碘和铯被捕集在安全壳内从安全壳泄漏出的气体经过辅助厂房，因而大部分放射性物质被过滤器所捕集30,2 切尔诺贝利事故,1986年4月26日星期六的凌晨在切尔诺贝利4号机组发生了核电历史上最严重的核事故 该事故是在反应堆安全系统试验过程中发生功率瞬变引起瞬发临界而造成的严重事故反应堆堆芯、反应堆厂房和汽轮机厂房被摧毁，大量放射性物质释放到大气 切尔诺贝利是一次反应性事故31,切尔诺贝利核电站位于乌克兰境内，离普里皮亚特(Pripyat)小镇3公里，离切尔诺贝利18公里，离乌克兰首府基辅市以北130公里 共有4台1000MW的RBMK(reactor bolshoy moshchnosty kanalny - high-power channel reactor, Light water graphite reactor )型反应堆在运行，附近还有2座反应堆在建造出事的4号机组于1983年12月投入运行32,33,34,35,,36,37,,,38,,,39,,,40,41,2.1 电厂基本特性,RBMK是一种石墨慢化、轻水冷却的压力管式反应堆 反应堆堆芯系由石墨块(7m0.25m0.25m)组成12米直径7米高的圆柱体。
总共大约有1700根垂直管道装有反应堆燃料42,在反应堆运行时能够实现不停堆装卸料 反应堆燃料是用锆合金(Zr-2.5%Nb)管做包壳的二氧化铀，富集度为2.0%，每一组件内含有18根燃料棒 采用沸腾轻水作冷却剂，产生的蒸汽通过强迫循环直接供给汽轮机43,RBMK1000输出热功率为3200MW， 主冷却剂系统有两个环路， 每个环路上有四台主循环泵(三台运行，一台备用)和两个蒸汽汽鼓/分离器 冷却剂在压力管内被加热到沸腾，然后部分汽化，平均质量含气量14汽水混合物在汽鼓内分离，然后送到两台500MW电功率的汽轮机44,2.2 事故的起因,事故是在进行8号汽轮发电机组实验计划时触发的 实验的目的在于：探讨厂内外全部断电情况下汽轮发电机中断蒸汽供应时，利用转子惰走动能来满足该机组本身电力需要的可能性45,2.3 事故过程,1986年4月25日1时，反应堆功率开始从满功率下降13时5分时，热功率水平降至1600MW，按计划关闭了7号汽轮机反应堆运转的四台主泵，两台给水泵和其它设备所需要的电源切换到8号发电机组母线上46,根据试验大纲，14点把反应堆应急堆芯冷却系统与强迫循环回路断开，以防止实验过程中应急堆芯冷却系统动作。
47,23时10分，继续降功率，按实验大纲，实验应在堆热功率7001000MW下进行但是，按低功率下运行规程解除局部自动调节系统时，操作人员未能及时消除因自动调节棒测量部件所引起的不平衡状态，结果使功率降到30MW以下48,4月26日1时，操作人员将堆热功率稳定在200MW由于功率骤减氙毒积累， 200MW是能够得到的最大功率操作人员将大部分控制棒提出，其控制棒数超出了运行规程的限制中心区域内的堆芯中子通量分布已被氙严重毒化49,仍继续作试验为保证试验后有足够的冷却，所有8台主循环水泵都投入了运行为抑制沸腾的程度，堆芯流率很高，堆芯冷却剂入口温度接近饱和工况蒸汽压力下降，蒸汽分离器内的水位也下降到紧急状态标志以下50,为避免停堆，操作人员切除了与这些参数有关的事故保护系统 1时23分04秒，为了试验关闭了汽轮机入口截止阀，随着汽轮机的隔离，4台循环水泵开始惰转51,试验开始后不久，反应堆功率开始急剧上升冷却剂的大部分已经非常接近很容易闪蒸成蒸汽的饱和点 具有正空泡系数的RBMK反应堆对此类蒸汽形成的响应是，反应性与功率增长，温度与蒸汽产量进一步增大，从而产生一种失控的状态52,1时23分40秒，操纵员按下紧急停堆按钮。
几秒钟后，控制室感觉到若干次震动，操纵员看到控制棒已不能达到较低的位置于是手动切除控制棒的电源，让其靠自重下降 在此期间，堆功率在4秒钟内大约增大到满功率的100倍功率的暴涨，使燃料碎裂成热的颗粒，从而使冷却剂急剧地蒸发，引起蒸汽爆炸53,大约在凌晨1时24分，接连听到两次爆炸声，燃烧的石墨块和燃料向反应堆厂房的上空直喷，一部分落到汽轮机大厅的房顶上，并引发火灾大约有25的石墨块和燃料管道中的材料被抛出堆外，大约34的燃料以碎片或以1m至10m直径的颗粒形式被抛出54,两次爆炸发生后，浓烟烈火直冲天空，高达1000多米火花溅落在反应堆厂房、发电机厂房等建筑物屋顶，引起屋顶起火同时由于油管损坏、电缆短路以及来自反应堆的强烈热辐射，引起反应堆厂房内、7号汽轮机房内及其临近区域多处起火，总共有30多处大火55,1点30分，消防人员赶往事故现场，经过消防人员、现场值班运行和检修人员以及附近五号、六号机组施工人员共同努力，于5点左右，大火全部扑灭56,2.4 事故后果的处理,首要任务是尽最大可能减少放射性物质扩散和对人的辐射影响 为防止溶化元件掉入下部水池，操作人员关闭了有关阀门，将抑压池水排空，消防人员控制火势防止蔓延至3号机组。
57,事故时虽停止了链式反应，但仍有大量余热释放，加之锆水反应热，石墨燃烧热，核能和化学能同时释放为防止事故扩大，采取了堆底液氮或氮气强制冷却58,利用直升飞机投下砂子1000吨灭火，接着投下粘土、硼、白云石、石灰石和铅等五千余吨于堆上，形成防护层先后出动两次约三百架次飞机这对灭火、控制事故蔓延，减少放射性物质随烟火抬升扩散起着很好的作用至4月3。