Fukushima daiichi第2单元（1F2）通过无动于RCIC操作的被动注入和衰减功率
作者：克里斯托弗·E·亨利（Christopher E. Henry）博士，高级咨询工程师
Fukushima-Daiichi单元2（1F2）事故的最突出特征是蒸汽涡轮驱动的反应堆核心隔离冷却（RCIC）系统的操作。RCIC系统的操作是奇异的注射系统，该系统维持核心冷却近三天，直到其无意的终止最终导致核心损伤和异地裂变产品释放。
从安全角度来看，这一阶段的这一阶段的重要性不能低估。在已知的水冷电反应堆操作的已知历史中，第一次绊倒了全尺度的BWR-4反应堆系统（如设计），但在其安全性注入方面是不受控制的，其设计基础之外和紧急核心衰减功率去除功能。相关的安全系统已无法操作，尤其是涡轮驱动的高压冷却液注入（HPCI），该系统至少在停电期间至少用于短期4小时的操作窗口。BWR-4设计对这些功能没有专用的被动功能。但是，该装置本身通过RCIC系统启动了稳定的被动注入和衰减功率。1F2成功排放了两相（蒸汽水）流经RCIC涡轮机，即使涡轮机仅设计用于单相蒸汽，涡轮机的操作仍具有RCIC泵的操作。在这方面，BWR-5和BWR-6设计与BWR-4相似，这三个设计占了绝大多数BWR植物，从而强调了1F2体验的更广泛意义。
这种运营状态是一个令人惊讶的结果。已知特定的涡轮机设计称为毛涡轮机，由于单个水lug的运输而耐受间歇性的两相瞬态流。由于生产线中的意外冷凝水，可能会积聚。然后，在系统启动期间，可以通过高速蒸汽流入涡轮机中的高速蒸汽流入夹具。一旦将sl拔出，该线将很快返回到单相蒸汽操作。但是，这种瞬态异常与非常低质量（高水位含量）的两相流动的持续操作有很大不同，该操作表征了1F2 RCIC涡轮机的操作。具体而言，在海啸淹没事件发生后，RCIC以无人值守的模式运行。无动力的状态导致反应堆压力容器（RPV）的水位控制导致水位上升和主蒸汽线的洪水，包括驱动RCIC蒸汽涡轮机的蒸汽提取线。产生的两个相流动几乎驱动了整个延长持续时间。这种运行状态从未经历过甚至是分析的，因为在正常动力操作过程中，控制系统设计有效地排除了这种运行状态。
作为最近的一部分maap5*FAI的代码增强项目研究了RCIC蒸汽提取线和毛制涡轮机的力学，以解释RCIC和反应器压力容器（RPV）响应的组合。项目任务的目的是增加1F2 RPV压力测量数据与1F2事故进展的MAAP5模拟之间的保真度。该研究涵盖了正常的单相蒸汽操作，该操作表征了反应堆跳闸之间的正常RCIC操作（由于地震启动事件为14:46）和站停电（SBO）启动（由于海啸淹没了15:38）。该研究还涵盖了SBO启动后向两相流动RCIC涡轮机操作的过渡。
单相蒸汽喷气机形成和涡轮轮“桶”上的撞击是Terry涡轮机中的基本设计原理。然而，由于系统从未遇到这种情况，因此在膨胀的两相临界流射流中的自由流下压力的其他相关现象是系统操作中未知现象。这是解释涡轮操作的关键发现。该现象是正常涡轮操作过程中单相蒸汽射流形成的天然延伸。但是，两阶段的喷射具有重大差异，必须适应。具体而言，在图1中，空隙分数的减小到小于统一的值的减小信号信号是两相流穿过RCIC蒸汽提取线的发作。因此，通过提取线的“提取流”增加，但“泵流”减少了。从单相蒸汽射流到RCIC喷嘴的两相射流的过渡会降低喷嘴出口处的声速。实际上，即使流体密度显着增加，这实际上会降低驱动涡轮机的动量通量。降低的动量会降低泵轴功率，从而降低泵流速。
调查中的第二个值得注意的发现是，RCIC系统与连接的RPV协同产生了自我调节的行为，该行为逐渐调整并平衡了RCIC泵水流到RPV的RCIC提取线与RCIC萃取线的两阶段两相外流，从RPV。在提取线中的两相流量开始时，再次提及图1，提取流和泵流不相等。当时，泵流量更大。但是随着著名的过渡，泵流量减小，提取流程迅速超过泵流。但是，提取流中的过冲导致提取线空隙分数随时间逐渐增加。这是著名的自我调节行为。最终，空隙分数可以调整到泵流和提取流量收敛到相同值的点。
RCIC与RPV的这种自我调节行为在预测RPV压力和水位水平方面非常成功，测量了从早期SBO启动到RCIC系统意外隔离事件的数据响应。图2显示了与1F2测量数据的MAAP 5.04 RPV压力比较。该协议从3/11/11 14:46（仿真时间零）到3/14/11 13:00在RCIC提取线隔离时。3/11/11 16:00的压力倾角和重新安排是由于RCIC提取线中两相流量的发作。3/12/11 04:30的临时压力重新安排是由于RCIC从相对冷的冷凝水储罐（CST）转换为相对温暖的抑制室（S/C）池。（到了事故中，运营商至少具有监视CST级别并将吸力切换到S/C池的能力。）长期压力的协议继续在RCIC操作中继续（直到3/14/11 13:00），为了平衡任务时间。
图3显示了RPV水位与1F2测量数据的比较。RCIC模型正确地预测了水位的快速提升到主蒸汽线高度高于主动燃料顶部（TAF）的高度处。由于泵流入逐渐与提取线流出逐渐平衡，水位在主蒸汽线高程中保持大致恒定。该预测与“ RPV级A（校正）”测量的数据一致，但是数据无法实现实际的7.25 m高度，因为仪器在6.0 m处具有电子饱和，如工厂操作员TEPCO所证实的那样。实际上，水平必须达到7.25 m，以产生两相流入提取线的流动。
RPV压力测量数据在3/14/11 09:00的增加是由于从两相流到RCIC提取线中的单相蒸汽的过渡。这种过渡是丧失血管注射的关键指标。当对RPV的注入在3/14/11 09:00终止时，随后的RPV水位降低，直到3/14/11 18:30与测量数据非常吻合。3/14/11 18:30以上的比较不在1F2模拟的RCIC部分的范围之外。
在两阶段条件下对RCIC操作的这种基本解释提供了令人信服的技术基础，即无助的，无人看管的长期操作是可能的结果。因此，1F2的经验不是一种反常现象，而是一种现已众所周知且天生稳定的运行状态，可以在PSA，SAMG和FLEX的行业实践中用于决策。此外，由于既定现象学和1F2的经验本身已经提供了必要的见解，因此现在对揭示构成现象的昂贵，专用的全面运营实验的需求现在是不必要的。
调查有最后一个见解。虽然没有明确确认，但建议最终的RCIC系统终止可能不是RCIC系统设备故障（如最初猜测）。相反，鉴于获得的知识，植物数据中的法医证据表明结论不同。如上所述，RPV压力在3/14/11 09:00处的重新安装是RCIC提取线中单相蒸汽操作的返回。这意味着RCIC泵不再注入RPV。但是，这并不一定意味着泵故障。相反，众所周知，操作员正试图重新建立DC功率（通过清除的汽车电池）到RCIC系统（以及其他关键的植物系统），以控制RCIC操作。但是，这可能具有终止注射的意外作用。随着DC功率的部分恢复，RCIC系统可能已经感觉到RPV水位高于8级（高级设定值），RCIC可能已经重新调整泵放电以减轻高水平。（需要确认这种假定的方案。）
此外，3/14/11 13:00在RPV压力的突然增加表示有序地隔离RCIC蒸汽提取线。像上面引用的注射终止一样，提取线的隔离可能是直流电源回收的意外效应。RCIC系统会感觉到主要的遏制容器（PCV）具有高压（由于车站停电诱导的遏制量除去）。如果RCIC在PCV抑制池中感受到高排气压（接收RCIC涡轮排气），则RCIC将隔离提取线。
因此，尽管未经证实，但似乎rcic泵和RCIC涡轮机的最终终止可能是由于恢复直流电源的努力。具有讽刺意味的是，这并不是意外的结果，反应堆操作员无法预料到这一结果。RCIC系统的设计保护和排气控制的保护措施从未打算适应1F2处经历的持续无源RCIC操作的先前未知的意外情况。These lessons learned have been provided to the BWR Owner’s Group (BWROG), and design changes to RCIC and HPCI protection logic are being considered so that these turbine-driven systems will not self-terminate when they are performing a critical function under extraordinary beyond-design-basis circumstances.
上述评估结合了我们对福岛相关BWR工厂系统和事故程序的详细了解与合理的整体代码MAAP。由此产生的根本原因解释了成功的长期被动注入和核心冷却是一个至关重要的见解，因为RCIC居住在大多数现有的BWR机队中。因此，如果将来面对极不可能的福岛般的延伸功率损失（ELAP）事件，被动RCIC操作可以作为嵌入式的“防御”层，直到新近新近 - 新近 - 新近 -ELAP的实施灵活响应（FLEX）对策可以提供替代冷却。对ELAP的这种强大的，多样化的反应将与Befell Fukushima的严重事故命运完全不同，并且在安全方面取得了重大进步，这对现有的BWR机队有利。
图1 MAAP5.04 RCIC泵流量和提取流的模型预测
图2 MAAP 5.04 RPV压力与1F2测量数据进行比较
图3 MAAP 5.04 RPV水位与1F2测量数据的比较
*模块化事故分析计划（MAAP）严重事故代码是由EPRI（电力研究所）拥有和许可的软件
有关更多信息，请联系：Christopher E. Henry博士，高级咨询工程师，（630）887-5258，cehenry@fauske.com，，，，m.domyth.com
＃核
