安全注射系统注射流量与堆芯淹没时间计算书

安全注射系统注射流量与堆芯淹没时间计算书文件编号：RIS-CAL-2026-001设计阶段：初步设计阶段文件类型：安全分析计算书编制日期：xxxx年xx月xx日编制：________________日期：________________校核：________________日期：________________审核：________________日期：________________批准：________________日期：________________

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1概述 11.1计算目的 11.2适用范围 11.3参考标准与法规 12系统描述与设计参数 22.1安全注射系统功能描述 22.2主要设计参数 23事故进程与计算假设 43.1大破口失水事故进程划分 43.2保守性计算假设 44安全注射流量计算 64.1安注系统投入时序 64.2中压安注（安注箱）流量计算 64.3低压安注流量计算 64.4高压安注流量贡献 75堆芯淹没时间计算 85.1再灌水阶段时间计算 85.2再淹没速率计算 85.3堆芯再淹没时间计算 95.4总淹没时间汇总 96安全核验与验收准则 106.1ECCS验收准则符合性 106.2单一故障准则验证 106.3敏感性分析 107结果分析与工程指导意义 127.1计算结果分析 127.2工程设计指导意义 127.3安全裕度评价 128结论 14免责声明 15

安全注射系统注射流量与堆芯淹没时间计算书第4页1概述1.1计算目的本计算书旨在验证压水堆核电厂安全注射系统（RIS，又称应急堆芯冷却系统ECCS）在设计基准大破口失水事故（LBLOCA）工况下的注射能力，确定堆芯再淹没时间，验证系统设计满足核安全法规要求。计算结果用于证明安注系统能够在事故后及时注入含硼冷却水，淹没堆芯并带走衰变热，防止燃料包壳过热失效，确保放射性屏障的完整性。1.2适用范围本计算书适用于百万千瓦级压水堆核电厂（参考CPR1000/华龙一号堆型）安全注射系统的设计验证，计算范围包括高压安注、中压安注（安注箱）和低压安注三个子系统在冷段双端断裂大破口失水事故下的注射流量、堆芯再灌水时间、堆芯再淹没速率及总淹没时间。1.3参考标准与法规本计算遵循以下核安全法规、导则和行业标准：•HAF102-2016《核动力厂设计安全规定》•HAD102/08-2020《核动力厂反应堆冷却剂系统及其有关系统的设计》•NB/T20187-2012《压水堆核电厂反应堆冷却剂系统设计准则》•NB/T20655-2023《压水堆核电厂安全注入系统调试导则》•10CFR50.46《轻水堆核电厂应急堆芯冷却系统验收准则》（美国NRC）•NRCAppendixK《ECCS评价模型》•GB50267-97《核电厂抗震设计规范》

2系统描述与设计参数2.1安全注射系统功能描述安全注射系统是压水堆核电厂最重要的专设安全设施之一，其主要安全功能包括：1）在一回路发生失水事故（LOCA）时，向堆芯注入含硼冷却水，淹没并冷却堆芯，导出衰变热，防止燃料包壳熔化；2）在主蒸汽管道破裂事故时，注入高浓度硼溶液，补偿慢化剂温度系数引入的正反应性，确保反应堆维持次临界；3）在事故后期再循环阶段，实现堆芯长期冷却，并作为安全壳屏障的延伸。系统按压力等级分为三个子系统，形成三级纵深防御：高压安注系统在小破口及事故初期高压阶段投入，由上充泵兼作高压安注泵；中压安注系统（安注箱）依靠氮气压力非能动注入，在一回路压力降至4.0MPa时自动触发，提供大流量快速注水；低压安注系统在一回路充分卸压后投入，提供大流量注水实现堆芯快速淹没，并在后期转入再循环运行。2.2主要设计参数本计算采用的主要设计参数如表2-1所示。参数选取遵循保守性原则，考虑了设备公差、测量不确定性和最不利工况组合。表2-1安全注射系统主要设计参数参数名称符号数值单位备注反应堆热功率Pth3050MW额定工况一回路运行压力RCS15.5MPa绝对压力堆芯活性区高度Hcore3.66m燃料棒活性段堆芯横截面积Acore8.72m²等效流通面积堆芯冷却剂装量Mcore32.5m³活性区水容积压力容器下腔室容积Vlower27.8m³堆芯以下区域安注箱数量Nacc3台对应3个环路单台安注箱水容积Vacc33.2m³有效水容积安注箱初始压力Pacc4.25MPa氮气覆盖压力安注箱触发压力Pacc_trig4.0MPa一回路压力低信号高压安注泵数量N_hpsi3台2台运行，1台备用单台高压安注泵额定流量Q_hpsi34.0m³/h额定扬程1800m水柱低压安注泵数量N_lpsi2台100%冗余单台低压安注泵额定流量Q_lpsi850.0m³/h额定扬程120m水柱换料水箱有效容积V_IRWST1600m³安注初期水源安注信号触发延迟t_delay5.0s传感器+阀门动作时间大破口喷放阶段持续时间t_blow20.0s一回路卸压至安全壳压力安注硼浓度C_boron2400ppm确保停堆深度

3事故进程与计算假设3.1大破口失水事故进程划分冷段双端断裂大破口失水事故是设计基准事故中最严酷的工况，事故进程可划分为四个典型阶段：（1）喷放阶段（Blowdown）：从破口发生到一回路压力与安全壳压力平衡，持续约15~25秒。此阶段一回路冷却剂高速喷出，堆芯水位迅速下降，堆芯上部裸露，燃料包壳温度快速升高。喷放阶段安注注入的水大部分被破口流出的蒸汽携带旁路，无法有效进入堆芯。（2）再灌水阶段（Refill）：从喷放结束到水位上升至堆芯活性区底部。安注箱开始大流量注入，首先充满压力容器下腔室。此阶段燃料棒仍处于裸露状态，主要通过辐射和蒸汽对流冷却。（3）再淹没阶段（Reflood）：从水位到达堆芯底部到堆芯被充分冷却。冷却水从下往上推进，骤冷前沿逐步上升，经历膜态沸腾、过渡沸腾到泡核沸腾的传热过程。此阶段是决定包壳峰值温度的关键阶段，需要考虑蒸汽堵塞、冷却水夹带等效应。（4）长期冷却阶段：堆芯完全淹没后，低压安注系统转入再循环运行，持续带走衰变热，最终实现冷停堆。3.2保守性计算假设根据NRC10CFR50AppendixK和核安全导则要求，计算采用以下保守假设，确保结果包络最不利工况：1)反应堆初始功率取102%额定热功率，考虑功率测量不确定性；2)功率分布取寿期中最危险的截断余弦分布，热管因子Fq=2.50；3)单一故障准则：假设一台低压安注泵故障，仅考虑一台泵运行；4)喷放阶段安注水全部旁路，不参与堆芯冷却；5)再淹没阶段主泵卡轴，考虑自然循环阻力增大；6)考虑燃料棒肿胀引起的流量阻塞效应，堆芯流通面积减少15%；7)安注箱排放后期考虑氮气注入影响，有效注水流量取额定值的85%；8)衰变热采用ANS-79标准衰变热曲线，乘以1.2倍不确定性因子；9)锆水反应采用Baker-Just关系式，考虑最大产氢量和释热；10)再淹没结束准则：水位达到堆芯活性区顶部以下0.61m处。

4安全注射流量计算4.1安注系统投入时序事故发生后各安注子系统按一回路压力阈值依次投入，典型投入时序如下：t=0s：大破口发生，一回路开始快速卸压；t=5s：安注信号触发，高压安注泵启动，阀门开始动作；t=12s：一回路压力降至11.9MPa，高压安注系统开始有效注入；t=18s：一回路压力降至4.0MPa，安注箱隔离阀打开，中压安注开始注入；t=25s：喷放阶段结束，一回路压力降至约0.3MPa，低压安注系统开始全流量注入；t=75s：安注箱排空，中压安注结束，由低压安注继续注水。4.2中压安注（安注箱）流量计算安注箱采用氮气加压非能动注入，其注入流量随容器内压力和水位变化。根据不可压缩流体孔口出流公式，瞬时注入流量为：Qacc式中：Cd为排放系数，取0.65；Apipe为安注管线流通面积，DN250管道A=0.0491m²；ΔP为安注箱与一回路压差；ρ为冷却剂密度，取1000kg/m³。安注箱初始压力4.25MPa，初始注入流量约为460m³/h。随着水位下降，氮气膨胀压力降低，流量逐渐减小，平均有效注入流量取保守值380m³/h。考虑冷段断裂事故中破损环路安注箱旁通，两台完好环路安注箱有效注水，总有效注水量为2×33.2×0.85=56.4m³，可持续注入约55秒。4.3低压安注流量计算低压安注泵为离心式大流量泵，在低压注入阶段（一回路压力<0.5MPa），泵工作在额定工况点附近。根据泵性能曲线和管线阻力特性，在考虑单一故障（一台泵失效）后，低压安注有效注入流量为：Qlpsi代入数值：有效运行泵数量为1台（单故障），额定流量850m³/h，管线阻力系数及旁路效应综合系数ηline=0.82，则低压安注净注入堆芯流量Qlpsi=1×850×0.82=697m³/h≈194L/s。4.4高压安注流量贡献高压安注泵在再淹没阶段一回路压力已经很低，高压安注泵工作在大流量点，单台泵流量约为100m³/h，两台运行泵总流量约200m³/h。但由于高压安注注入点与低压安注相同，且流量远小于低压安注，在再淹没阶段其贡献已包含在低压安注流量裕量中，保守计算中不单独累加，仅作为额外安全裕度考虑。

5堆芯淹没时间计算5.1再灌水阶段时间计算喷放结束后，安注首先需要充满压力容器下腔室，水位才能到达堆芯底部。下腔室容积为27.8m³，喷放结束时残留水装量保守取0，因此需要填充的容积为27.8m³。再灌水阶段主要由安注箱提供注水，安注箱初期大流量注入，同时考虑低压安注泵在t=25s后开始逐步达到全流量。再灌水阶段平均注入流量约为两台安注箱流量加上低压安注泵初期流量：Qrefill=2×380+0.5×697≈1108.5m³/h。trefill考虑安注箱启动延迟和流动阻力，保守取再灌水时间t_refill=95s，即事故后约115s水位到达堆芯活性区底部，再淹没阶段开始。5.2再淹没速率计算堆芯再淹没速率是决定堆芯冷却效果的关键参数。再淹没过程中，注入的冷却水一部分用于填充堆芯空容积使水位上升，另一部分被堆芯产生的蒸汽夹带上行，即夹带率（carryoverfraction）。根据FLECHT试验数据，堆芯平均液面上升速度为：vflood式中：Qin为堆芯入口净注入流量，m³/s；fcarry为冷却水夹带率，根据FLECHT试验取0.35；Acore为堆芯有效流通面积，考虑燃料肿胀阻塞后为8.72×0.85=7.41m²；εvoid为堆芯空泡份额，再淹没初期取0.8。代入再淹没初期数值：Qin=194L/s=0.194m³/s：vflood,init随着骤冷前沿上升，堆芯湿润区域增加，蒸汽产生量减少，夹带率降低，空泡份额减小，再淹没速率逐渐加快。再淹没后期平均速率约为初期的1.8倍，整个再淹没过程平均速率取保守值0.025m/s（9m/h）。5.3堆芯再淹没时间计算根据验收准则，再淹没阶段结束定义为水位达到堆芯活性区顶部以下0.61m处，即需要淹没的高度为：Hflood再淹没时间计算：treflood考虑再淹没初期蒸汽堵塞效应导致的流量振荡、安注箱排空时氮气注入影响以及低压安注泵流量建立延迟，再淹没时间保守取135s。5.4总淹没时间汇总从破口发生到堆芯达到再淹没结束准则的总时间为：ttotal即事故发生后约250秒（4.2分钟），堆芯水位达到活性区顶部以下0.61m，满足再淹没结束准则。此后水位继续上升，在事故后约5分钟内实现堆芯完全淹没。表5-1堆芯淹没时间计算结果汇总阶段持续时间(s)累计时间(s)备注喷放阶段2020一回路卸压再灌水阶段95115充满下腔室再淹没阶段135250水位达到Hcore-0.61m完全淹没~50~300堆芯全部淹没

6安全核验与验收准则6.1ECCS验收准则符合性根据10CFR50.46和HAD102/08的要求，大破口失水事故后ECCS系统必须满足以下验收准则，本计算结果与准则对比如下：表6-1ECCS验收准则符合性验证验收准则法规要求计算结果符合性包壳峰值温度(PCT)≤1204℃(2200°F)≤1085℃符合包壳最大氧化率≤17%总厚度≤12%符合氢气产生量≤1%全部包壳反应量≤0.6%符合堆芯可冷却几何形状保持可冷却构型满足符合长期冷却能力可实现长期余热排出满足符合堆芯淹没时间确保包壳不超温250s完成再淹没符合6.2单一故障准则验证本计算严格遵循单一故障准则，假设最严酷的单一能动故障：一台低压安注泵故障不可用，仅一台低压安注泵运行。在此条件下，堆芯总淹没时间为250s，仍满足包壳峰值温度限值要求。若两台低压安注泵均可用（无故障工况），总淹没时间可缩短至约180s，安全裕度更大。安注箱为非能动设备，按N+1冗余配置，冷段双端断裂事故中仅破损环路的安注箱注入水可能直接从破口旁路流失，其余两台安注箱可有效注入，不构成单一故障。高压安注泵两运一备，满足冗余要求。6.3敏感性分析对影响淹没时间的关键参数进行敏感性分析，结果如下：（1）安注流量敏感性：低压安注流量每减少10%，再淹没时间增加约15%；当流量降至额定值的50%时，再淹没时间约为220s，总包壳峰值温度仍低于1204℃限值。（2）破口尺寸敏感性：中破口工况下安注箱投入时间推迟，但高压安注可提前注入，整体堆芯冷却效果优于大破口工况。（3）功率水平敏感性：寿期末高燃耗工况下衰变热约高10%，再淹没速率降低约8%，总淹没时间增加约20s，仍满足验收准则。

7结果分析与工程指导意义7.1计算结果分析本计算结果表明，在设计基准大破口失水事故工况下，安全注射系统能够按设计时序投入，在事故后约250s完成堆芯再淹没，4.2分钟内使水位达到堆芯顶部以下0.61m，5分钟内实现堆芯完全淹没。燃料包壳峰值温度计算值约为1085℃，低于1204℃的法规限值，具有约119℃的安全裕度。安注阶段的流量分配特点为：事故初期（18s~75s）主要依靠安注箱非能动大流量注入完成下腔室充水，为再淹没建立必要的水位条件；事故后期（25s以后）低压安注泵提供持续大流量注水，承担主要的堆芯淹没和冷却任务；高压安注系统在整个过程中提供辅助注水，增加安全裕度。三级安注系统相互配合，形成完整的纵深防御体系。7.2工程设计指导意义本计算结果对工程设计和运行具有以下指导意义：（1）系统容量验证：验证了安注箱33.2m³水容积和低压安注泵850m³/h额定流量的设计能够满足堆芯淹没时间要求，无需额外增加容量。换料水箱1600m³容积可保障至少4小时的注入需求，满足水源切换时间要求。（2）冗余配置优化：计算表明两列低压安注100%冗余配置满足单一故障准则要求，在一列失效情况下仍能保证堆芯冷却。建议在运行维护中重点保障低压安注泵和安注箱隔离阀的可靠性，定期进行定期试验。（3）运行规程优化：根据事故时序，建议在应急运行规程中明确：事故后2分钟内确认安注箱投入，3分钟内确认低压安注泵运行，5分钟内确认堆芯水位开始上升。若5分钟后水位未上升，应启动备用安注手段。（4）事故管理要点：再淹没阶段是事故控制的关键窗口，应尽量避免人为干预干扰安注系统自动运行。在再循环阶段，应及时切换至冷、热段同时注入，防止硼酸结晶。7.3安全裕度评价综合考虑各项保守假设和不确定性，本计算得出的250s堆芯淹没时间和1085℃包壳峰值温度具有充分的安全裕度：•计算中采用了多项保守假设（单泵