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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，由大都會愛迪生公司（Metropolitan Edison Company）運營的三里島核電站2號機(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（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、操作員培訓(xùn)以及適用于事件的NRC程序。

1、事故根本原因

在此次事件中，工廠設(shè)計程序和設(shè)計師均負(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)計過程或安全分析。

唯一一個專門解決核電站設(shè)計和事故責(zé)任的努力，還是大都會愛迪生公司對核電站設(shè)計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，法庭記錄還不對外公布。

在TMI-2事故發(fā)生的10多年前，B&W正在設(shè)計他們的第一座核電站。在安全系統(tǒng)的設(shè)計和電廠的安全分析中，出現(xiàn)了有兩個相對較小但十分重要的遺漏。后來發(fā)現(xiàn)，這個失誤是整個事故的根本原因。

如果在其間的幾年里只糾正其中一個，三里島核事故就可以避免。

TMI主要設(shè)計由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，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，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)計的時候，設(shè)計人員從TMI核事故經(jīng)驗中學(xué)到了很多。

2、觸發(fā)事件

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)錯誤，兩個應(yīng)急給水截止閥（本應(yīng)在核電站運行時打開）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)運轉(zhuǎn)時快得多，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)計者負(fù)有雙重責(zé)任。他們設(shè)計發(fā)電廠，不僅應(yīng)能保證電廠正常運行發(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)計中還必須識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就是一個很好的例子，在電廠正常運行期間，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，這個時候，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)計師還負(fù)責(zé)將操作經(jīng)驗納入其設(shè)計中。

在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，還安裝了一個指示燈，以顯示PORV上游的截止閥是否收到關(guān)閉信號，但控制室內(nèi)沒有跡象表明閥門已實際關(guān)閉。

在B&W設(shè)計的PWR中，PORV的開啟相對頻繁。反應(yīng)堆堆芯的熱工水力設(shè)計比其他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)對變化的反應(yīng)更快。由于反應(yīng)迅速，PORV的作用相對頻繁。更頻繁地使用PORV導(dǎo)致更頻繁的故障。TMI-2的PORV故障是B&W核電站的第八次，比其他反應(yīng)堆設(shè)計的PORV故障高出一個數(shù)量級以上。

NRC對與安全相關(guān)的設(shè)備有具體要求。對于事故緩解至關(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：燃料被封閉在一個密封的包殼內(nèi)，反應(yīng)堆堆芯在封閉的RCS內(nèi)，RCS被一個安全殼建筑覆蓋。

在所有假定的事故中，只有一次——LOCA中——兩個屏障預(yù)計會損壞。在LOCA的情況下，事件本身會破壞RCS，預(yù)計事故后果會損壞部分燃料包殼。對公眾的保護(hù)被簡化為一個單獨的屏障，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)計人員沒有將PORV確定為安全相關(guān)設(shè)備。設(shè)計由大都會愛迪生公司審查，并由NRC進(jìn)行評估。兩方都未對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。

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啟動的自動安全等級驅(qū)動，或者，如果啟動是手動的，則必須在控制室內(nèi)提供安全等級位置指示，并有足夠的時間供操作員操作。

TMI-2不存在這兩種情況。PORV故障的后果是設(shè)計師的部分責(zé)任，沒有對工廠進(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)生的操作員錯誤。除非認(rèn)為極不可能發(fā)生（嚴(yán)重事故）。

設(shè)計師有責(zé)任確定電廠設(shè)計的所有特定事故類型。對于水冷反應(yīng)堆，其中一種事故類型是RCS LOCA。

4、破裂分析疏漏

對于TMI-2等PWR，NRC要求對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，從雙端破裂到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。趨勢相同，較小的破裂有較輕的后果。

由于兩個原因，沒有對更小的斷裂進(jìn)行分析：（1）計算機(jī)上的計算時間長，分析成本高；（2）趨勢已經(jīng)確定。

相反，有人假設(shè)這一趨勢將繼續(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，也未對小于0.1平方英尺的斷裂進(jìn)行任何分析。

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