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    詳析三里島核事故(上)

    來源: 嘿嘿能源heypower 發(fā)布日期:2021-07-10

    40年前的1979年3月28日,由大都會(huì)愛迪生公司(Metropolitan Edison Company)運(yùn)營的三里島核電站2號(hào)機(jī)組(TMI-2)發(fā)生了嚴(yán)重核事故。事故發(fā)生后,總統(tǒng)委員會(huì)進(jìn)行了兩次主要調(diào)查,一次由卡特總統(tǒng)任命,第二次由核管理委員會(huì)(NRC)特別調(diào)查小組進(jìn)行。兩次調(diào)查記錄了事故發(fā)生的詳細(xì)過程、設(shè)備可用性及故障,并分析了事故期間操作人員的行動(dòng)、操作員培訓(xùn)以及適用于事件的NRC程序。

    1、事故根本原因
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    在此次事件中,工廠設(shè)計(jì)程序和設(shè)計(jì)師均負(fù)有不可推卸的責(zé)任,包括工廠的安全分析,也沒有進(jìn)行有效的策劃。
     
    在過去的40年里,針對(duì)三里島核事故已經(jīng)發(fā)表了許多研究和論文,但沒有一篇涉及到核電站的設(shè)計(jì)過程或安全分析。
     
    唯一一個(gè)專門解決核電站設(shè)計(jì)和事故責(zé)任的努力,還是大都會(huì)愛迪生公司對(duì)核電站設(shè)計(jì)者巴布科克和威爾科克斯(B&W)提起的訴訟。審判開始又很快結(jié)束,而且案件主要在庭外解決,法庭記錄還不對(duì)外公布。
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    TMI-2事故發(fā)生的10多年前,B&W正在設(shè)計(jì)他們的第一座核電站。在安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和電廠的安全分析中,出現(xiàn)了有兩個(gè)相對(duì)較小但十分重要的遺漏。后來發(fā)現(xiàn),這個(gè)失誤是整個(gè)事故的根本原因。
     
    如果在其間的幾年里只糾正其中一個(gè),三里島核事故就可以避免。
     
    TMI主要設(shè)計(jì)由B&W的公用事業(yè)采購廠和NRC審查,這期間遺漏仍然沒有被發(fā)現(xiàn)。這個(gè)遺漏就是,先導(dǎo)式安全閥(PORV)和PORV截止閥的安全作用沒有得到充分的認(rèn)識(shí),也沒有通知PORV的制造商閥門的安全功能,即在閥門暴露于事故負(fù)荷后必須能夠關(guān)閉。
     
    此外,電廠的安全分析報(bào)告(SAR)沒有涉及“非常小的破裂引發(fā)冷卻劑損失事故(LOCA)”相關(guān)內(nèi)容。
     
    而且不幸的是,電站對(duì)PORV失效引發(fā)的事故響應(yīng)與SAR中呈現(xiàn)的小破口事件響應(yīng)非常不同。當(dāng)時(shí),沒人預(yù)料到這種情況。如今,當(dāng)新型反應(yīng)堆——如小型模塊堆——籌劃設(shè)計(jì)的時(shí)候,設(shè)計(jì)人員從TMI核事故經(jīng)驗(yàn)中學(xué)到了很多。
     
    2、觸發(fā)事件
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    清潔冷凝水精處理器的操作員,使蒸汽發(fā)生器給水泵跳閘。然后觸發(fā)電廠安全系統(tǒng),導(dǎo)致汽輪機(jī)跳閘。
     
    汽輪機(jī)不再從反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCS)排出熱量,RCS的溫度和壓力開始迅速上升,PORV按照設(shè)計(jì)打開。
     
    給水泵關(guān)閉后,電廠安全系統(tǒng)開啟應(yīng)急給水泵。由于維護(hù)錯(cuò)誤,兩個(gè)應(yīng)急給水截止閥(本應(yīng)在核電站運(yùn)行時(shí)打開)均關(guān)閉,因此沒有應(yīng)急給水到達(dá)蒸汽發(fā)生器。關(guān)閉的閥門導(dǎo)致RCS的加熱速度比正常汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)快得多,并且PORV暴露在比正常情況更大的負(fù)荷下,很可能是嚴(yán)重的兩相流(蒸汽和水混合物)或排水。
     
    因此,閥門關(guān)閉可能是造成事故的原因之一。不過文獻(xiàn)中沒有提到這種可能性。
     
    隨著RCS壓力升高,反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)關(guān)閉反應(yīng)堆,之后RCS壓力下降。PORV本應(yīng)關(guān)閉,但卻一直開著,核電站面臨LOCA
     
    顯而易見的問題是,“為什么PORV不能關(guān)閉?
     
    核電站設(shè)計(jì)者負(fù)有雙重責(zé)任。他們?cè)O(shè)計(jì)發(fā)電廠,不僅應(yīng)能保證電廠正常運(yùn)行發(fā)電,而且還應(yīng)預(yù)想到,在發(fā)電廠壽命期間如果發(fā)生意外事件和假設(shè)事故狀況,能保證電廠的安全性。
     
    設(shè)計(jì)中還必須識(shí)別具有操作功能和安全功能的系統(tǒng)部件,以可靠地執(zhí)行這兩種功能。
     
    PORV就是一個(gè)很好的例子,在電廠正常運(yùn)行期間,PORV通過開啟和關(guān)閉以及從穩(wěn)壓器排出蒸汽,將RCS壓力保持在規(guī)定限值以下。
     
    異常事件期間,如TMI-2情況,PORV可能排放兩相流或水。因此,這個(gè)時(shí)候,閥門必須要發(fā)揮其應(yīng)有的安全功能,即在兩相流或排水后關(guān)閉。顯然,TMI事件中,閥門安全功能已經(jīng)失效,甚至可以說,PORV就沒有設(shè)想到安全功能。
     
    閥門采購訂單沒有規(guī)定這一要求,閥門供應(yīng)商也不知道閥門具有安全功能,并且在兩相流或排水后必須關(guān)閉閥門。
     
    3、核安全設(shè)備分類失誤

    設(shè)計(jì)師還負(fù)責(zé)將操作經(jīng)驗(yàn)納入其設(shè)計(jì)中。
     
    TMI-2事故之前,B&W電廠的PORV出現(xiàn)過七次未能關(guān)閉的情況。盡管有此記錄,但PORV本身沒有調(diào)整或更換。相反,還安裝了一個(gè)指示燈,以顯示PORV上游的截止閥是否收到關(guān)閉信號(hào),但控制室內(nèi)沒有跡象表明閥門已實(shí)際關(guān)閉。
     
    B&W設(shè)計(jì)的PWR中,PORV的開啟相對(duì)頻繁。反應(yīng)堆堆芯的熱工水力設(shè)計(jì)比其他PWR堆芯更接近可接受的極限,蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的含水量非常小,僅為其他一些PWR含水量的25%。
     
    這些差異使系統(tǒng)對(duì)變化的反應(yīng)更快。由于反應(yīng)迅速,PORV的作用相對(duì)頻繁。更頻繁地使用PORV導(dǎo)致更頻繁的故障。TMI-2PORV故障是B&W核電站的第八次,比其他反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的PORV故障高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
     
    NRC對(duì)與安全相關(guān)的設(shè)備有具體要求。對(duì)于事故緩解至關(guān)重要的設(shè)備和其故障可能導(dǎo)致或加重事故的設(shè)備被視為“安全相關(guān)”設(shè)備
     
    卡在打開位置的PORV會(huì)導(dǎo)致RCS邊界破裂,導(dǎo)致LOCA。而在一些假定事故中,LOCA被認(rèn)為是最嚴(yán)重的,因此受到特別關(guān)注。
     
    核電站設(shè)計(jì)了三道屏障,以保護(hù)公眾免受放射性物質(zhì)釋放的影響:燃料被封閉在一個(gè)密封的包殼內(nèi),反應(yīng)堆堆芯在封閉的RCS內(nèi),RCS被一個(gè)安全殼建筑覆蓋。
     
    在所有假定的事故中,只有一次——LOCA中——兩個(gè)屏障預(yù)計(jì)會(huì)損壞。在LOCA的情況下,事件本身會(huì)破壞RCS,預(yù)計(jì)事故后果會(huì)損壞部分燃料包殼。對(duì)公眾的保護(hù)被簡化為一個(gè)單獨(dú)的屏障,即安全殼。
     
    此外,閥門故障比管道破裂更容易發(fā)生。因此,最有可能發(fā)生LOCA的是卡在打開位置的PORV。
     
    令人驚訝的是,設(shè)計(jì)人員沒有將PORV確定為安全相關(guān)設(shè)備。設(shè)計(jì)由大都會(huì)愛迪生公司審查,并由NRC進(jìn)行評(píng)估。兩方都未對(duì)PORV不被指定為安全相關(guān)提出意見。最終,NRC批準(zhǔn)了施工許可證申請(qǐng)。
     
    如果PORV被指定為安全相關(guān)設(shè)備,它將必須滿足可靠性要求,并在事故條件下進(jìn)行測試。如果TMI-2 PORV已經(jīng)過測試,它很可能不會(huì)通過。
     
    事故發(fā)生后,閥門制造商表示,TMI-2 PORV很難在兩相流或水排放后關(guān)閉。如果PORV被指定為安全相關(guān),它將被更換或返修。
     
    未將PORV指定為安全相關(guān)的原因是PORV上游存在截止閥。如果PORV卡在打開位置,截止閥可以關(guān)閉,從而終止事故。因此,截止閥對(duì)于緩解PORV失效事故至關(guān)重要,并且必須也要考慮到安全相關(guān)設(shè)備范疇。
     
    必須具有從卡在打開位置的PORV啟動(dòng)的自動(dòng)安全等級(jí)驅(qū)動(dòng),或者,如果啟動(dòng)是手動(dòng)的,則必須在控制室內(nèi)提供安全等級(jí)位置指示,并有足夠的時(shí)間供操作員操作。
     
    TMI-2不存在這兩種情況。PORV故障的后果是設(shè)計(jì)師的部分責(zé)任,沒有對(duì)工廠進(jìn)行全面詳細(xì)的安全分析。
     
    分析必須包括電廠可能發(fā)生的瞬態(tài)變化。瞬變分析必須表明,在這些事件之后,電廠繼續(xù)運(yùn)行可以保證安全。電廠的安全分析還必須解決所有潛在事故,包括系統(tǒng)故障和電廠可能發(fā)生的操作員錯(cuò)誤 。除非認(rèn)為極不可能發(fā)生(嚴(yán)重事故)。
     
    設(shè)計(jì)師有責(zé)任確定電廠設(shè)計(jì)的所有特定事故類型。對(duì)于水冷反應(yīng)堆,其中一種事故類型是RCS LOCA。
     
    4、破裂分析疏漏
     
    對(duì)于TMI-2PWR,NRC要求對(duì)RCS中的全部破裂進(jìn)行分析,從RCS中最大管道的雙端破裂開始,直至補(bǔ)給水系統(tǒng)能夠承受的破裂尺寸。
     
    不幸的是,設(shè)計(jì)中沒有注意到,如果閥門的排放區(qū)在假定事故范圍內(nèi),系統(tǒng)故障也包括閥門卡在打開位置。PORV就是在尺寸范圍內(nèi)發(fā)生故障。完整的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍,也意味著所有可能的中斷位置。穩(wěn)壓器頂部閥門卡在打開位置的后果,可能與較低標(biāo)高處相同尺寸破裂的不同。
     
    通常,在TMI事故之前,大破裂LOCA分析包括,RCS熱管段和冷管段的破裂尺寸,從雙端破裂0.5平方英尺的破裂。
     
    通常情況下,后果最嚴(yán)重的是大斷裂,小尺寸斷裂一般影響極小。小斷裂LOCA分析從0.5平方英尺下降到約0.1平方英尺。趨勢(shì)相同,較小的破裂有較輕的后果。
     
    由于兩個(gè)原因,沒有對(duì)更小的斷裂進(jìn)行分析:(1)計(jì)算機(jī)上的計(jì)算時(shí)間長,分析成本高;(2)趨勢(shì)已經(jīng)確定。
     
    相反,有人假設(shè)這一趨勢(shì)將繼續(xù)下降到所要求最小尺寸。此外,假設(shè)小斷裂LOCA分析與斷裂位置無關(guān)。因此,未在不同位置分析小于0.5平方英尺的斷裂,也未對(duì)小于0.1平方英尺的斷裂進(jìn)行任何分析。



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