緊急爐心冷卻系統

壹.功能
貳.系統概述
參.系統組件
肆.系統運轉


壹.功能

  1. 緊急爐心冷卻系統(Emergency Core Cooling System,ECCS),又稱安全注水系統(Safety Injection System),具有兩項功能,即在事故發生後能冷卻爐心,以及增加停機餘裕。
    1. ECCS之主要功能,係在發生冷卻水流失事故(Loss of Coolant Accident, LOCA )之後,注入大量冷卻水,用以移除爐心衰變餘熱,避免爐心熔燬。
    2. ECCS之次要功能,在發生蒸汽管路斷裂時,藉注入高濃度硼液至核心,以增加停機餘裕。

  2. ECCS系統係以冷卻水流失事故(LOCA),射棒事故(Rod Ejection Accident),蒸汽管路斷裂事故(Steamline Break Accident)以及蒸汽產生器管束破裂事故(S/G Tube Rupture)為設計基準。LOCA範圍包括小管路斷裂或釋壓閥卡在全開位置,致使正常補充水系統無法補足流失的爐心冷卻水,以至最大管路瞬間完全斷裂之大型事故。射棒事故係假設控制棒驅動系統(CRDM)壓力管室突然斷裂,反應爐內外差壓使控制棒激射而出,瞬間加入正反應度,且爐水自斷裂處流失。蒸汽管路斷裂事故,包括大小管路嚴重程度不等之斷裂情況,其後果可能使一次系統爐水驟冷導致加入正反應度,並使圍阻體內壓力升高。蒸汽產生器管束破裂事故,不只使一次系統水大量流失,且二次系統遭受輻射污染或經蒸汽產生器PORV或真空泵污染外界。

  3. 在緊急事故之後,ECCS系統之動作可分為三個階段,即:
    • 注水階段(Injection Phase)
    • 冷端管路再循環(Cold Leg Recirculation Phase)
    • 熱端管路再循環(Hot Leg Recirculation Phase)
    1. 注水階段
      事故發生後,ECCS將大量含硼水自燃料更換水儲存槽( Refueling Water Storage Tank, RWST)或蓄壓槽(Accumulator)經冷端管路注入爐心,其目的在使爐心重新為水淹沒並阻止任何反應度上升的趨勢,以免爐心受到進一步的損害。此階段為時相當短,一旦流失的爐水得到補充即算結束。
    2. 冷端管路再循環階段
      當LOCA發生時,一次系統之水從斷裂口流出,凝結成水流入圍阻體內之再循環集水池(Containment Recirculation Sump),當RWST之水全部注入核心時,集水池也滿水了,此時ECCS自集水池取水經冷端管路打入爐心,再經管路破裂處流至集水池,構成一循環迴路。此階段之目的在移去爐心的衰變熱。若LOCA為最嚴重之冷端管路完全斷裂,此時衰變熱主要靠爐水蒸發來移除,ECCS之功能則在補充因蒸發而減少的水量。
    3. 熱端管路再循環階段
      冷端管路再循環階段數小時後,ECCS經RCS熱端管路注入冷卻水,冷卻爐心上部,使爐心上部硼酸結晶溶解,以免阻礙水流或蒸汽通道 ,以後每一定時間冷端與熱端再循環轉換一次。

貳.系統概述     

  1. ECCS系統,也就是安全注水系統(SIS),包括三個支系統,即低壓注水系統,高壓注水系統及蓄壓槽 。
    1. 低壓注水系統主要由餘熱移除系統(Residual Heat Removal System,RHR)所組成。RHR系統主要在起動或停機時,執行排除餘熱的工作,緊急時則成為ECCS的一部份。
    2. 高壓注水系統主要由離心充水泵(Centrifugal Charging Pump,CCP)、硼注入槽(Boron Injection Tank,BIT)以及相關管閥等所組成。雖然CCP平時為爐水控制系統(CVCS)的重要組件,緊急時則與CVCS隔離而成為ECCS的一部份。
    3. 三個蓄壓槽及相關之管閥組成ECCS之中壓支系統,一旦反應爐壓力低於蓄壓槽壓力,槽中大量含硼水立即注入爐心不需外來動力。
      此外燃料更換水儲存槽(Refueling Water Storage Tank,RWST)亦是ECCS很重要的一部份。在注水階段(Injection Phase),ECCS之水源均來自RWST
      反應爐槽中之水經管路破裂處流至圍阻體再循環集水池,由RHR或/及圍阻體噴灑系統(Containment Spray System)抽取循環使用。
    4. 在事故發生時,無需任何操作員手動操作,所有SI相關泵自動由RWST取水自冷端管路注入爐心,一旦RWST水位逐漸降至預設之過低水位警報點,RHR之圍阻體再循環集水池進口閥自動打開,操作員關閉RWST到RHR進口閥,注水階段即告結束,冷端管路再循環階段即開始。CCP則仍繼續自RWST取水,操作員可手動將CCP進口改自RHR熱交換器下游取水。

  2. ECCS系統須能提供足夠的含硼水以滿足各項安全規章(Safety Criteria),故在任何情況下最少須有一台RHR泵及一台CCP在接受到SI訊號時正常起動運轉,並且所有三台蓄壓槽均需能供水至冷端管路 。
    為了保證最少各有一台RHR泵及CCP在事故後能正常起動運轉,故有兩完全獨立的供電系統及起動訊號系統。兩個4.16kV緊急匯流排分自不同的外界電源受電,若外界電源中斷,則由兩台緊急柴油發電機分別供電。

  3. 低壓注水系統(LHSI)
    1. 功能
      1. LHSI(即RHR)在注水階段能自RWST泵送高流量的含硼水以確保爐心能迅速再為爐水淹蓋。
      2. LHSI在再循環階段能自圍阻體再循環集水池取水,不斷的循環泵送至冷端管路或熱端管路,以移除爐心的餘熱(衰變熱)。
      3. LHSI在再循環階段能不斷的運轉,以提供CCP的進口水源。
      4. LHSI在再循環階段能冷卻自再循環集水池抽取的含硼水,成為自圍阻體中移除熱量的主要工具。
    2. 為達成上述功能,LHSI(RHR)有兩台RHR泵和兩台RHR熱交換器。當電廠正常運轉發電時,所有RHR的各閥均按緊急情況時應有之位置開關妥當,一旦接到緊急起動訊號,不必另行開關。
    3. 兩台RHR泵分別自兩緊急匯流排受電,於接受安全注水訊號(SIS)時自動起動,自RWST取水泵送至RCS冷端管路。RWST水位逐漸降低至觸動過低水位設定點時,RHR之再循環集水池進口閥自動打開,RHR熱交換器之核機冷卻水(CCW)進口閥HV—152、252需手動予以打開 。
    4. 當RHR再循環集水池進口閥自動打開後,操作員須立即手動打開HV-105、HV-205將CCP進口改至RHR熱交換器出口。且關閉RWST至RHR之進口閥(HV-8、HV-5)。
    5. 兩台RHR泵之出口在RHR熱交換器下游有跨接管連接,跨接管上有電動隔離閥HV-11、HV-14,正常時開啟,以提高可靠性。冷端再循環時關閉,以確保獨立性。在熱端管路再循環階段則應手動打開,RHR經此跨接管飼入冷卻水迴路1和2之熱端。

  4. 高壓注水系統
    1. 功能
      1. HHSI(CCP)可經由注硼槽(BIT)將高濃度硼酸液注入爐心。
      2. 當小型LOCA發生時,RCS系統仍在高壓狀態,以致LHSI(RHR)系統無法打水入RCS時,HHSI能不斷供給高壓冷卻水流。
      3. HHSI的水量加上 LHSI及蓄壓槽的水量能保證爐心可在最短時間內重新為水淹蓋。
    2. 當電廠正常運轉時,一台CCP自CVCS容積控制槽(VCT)取水泵送至正常充水管路及RCP軸封系統,一台CCP置於後備狀態,另一台CCP可做為前兩台任一台失效時後備使用 。
      當接到SIS信號時,第一台、第二台CCP自動起動並與CVCS互相隔離,單獨從RWST取水。出口經過BIT由RCS冷端管路注入,BIT並自其再循環系統中隔離。正常充水管路雖自CCP隔離,但CCP仍供水至RCP軸封系統,以免RCP損壞。
    3. 電廠正常運轉時,注硼槽(BIT)與CCP及RCS的連接都由兩組並聯的閥隔離。BIT中儲有高濃度硼酸水。BIT之再循環系統,其主要組件為兩台再循環泵及一個調節槽(Surge Tank)。兩台再循環泵之一自調節槽吸取硼酸水,泵送至BIT,再流回調節槽構成一迴路;本循環系統視需要才起動,不需要連續運轉。
  5. 蓄壓槽(Accumulator)
    1. 功能
      發生大型LOCA時,RCS壓力急驟降低蓄壓槽能即刻供給大量含硼水,其特點是在不需任何起動訊號,不須等待水泵起動,亦不受電力喪失的影響且動作迅速。
    2. 發生事故時,三台蓄壓槽均應能發揮其功能。當電廠正常運轉時,蓄壓槽之出口關斷閥全開,兩個串聯的止回閥可防止高壓RCS系統倒灌回蓄壓槽。出口關斷閥僅在停機降壓或起動加壓時才關閉。
    3. 蓄壓槽以氮氣(N2)加壓,當RCS壓力低於氮氣壓力時,氮氣急劇膨脹壓迫槽中所存水量,經止回閥注入爐心。

.系統組件

  1. LHSI(RHR)系統
    1. RHR泵
      RHR泵為單級直立式離心泵,自底部吸水,側部排水,由感應馬達帶動。機械式軸封並由核機冷卻水(CCW)冷卻。備有最小流量旁通管路,以防泵過熱損壞。
    2. 冷端管路注水關斷閥
      此閥為電動閘閥,位於注水集管上游,RHR熱交換器下游。此閥常在全開位置。
    3. 熱端管路注水關斷閥
      此閥為電動閘閥,經常閉鎖在全關位置。
    4. RWST出口關斷閥
      此閥為電動閘閥,於兩RHR迴路之RWST出口管路上,此閥常在全開位置。事故後,當圍阻體再循環集水池進口閥自動打開之後,須由操作員手動關閉。
    5. 圍阻體再循環集水池出口閥
      此閥為電動閘閥,常在全關位置,當SI訊號與RWST過低水位訊號同時出現時,此閥自動打開。BH-HV-101及BH-HV-201位於包封室內,以防集水池中帶輻射性的水經此閥Packing洩漏而污染輔助廠房。
    6. 跨接管關斷閥
      此閥為電動閘閥,常在全開位置,於注水階段可使任一RHR泵經兩迴路注入RCS。在冷端管路再循環階段由操作員關閉,以保持RHR迴路之獨立性。在熱端管路再循環階段由操作員再打開,以供水至熱端管路注水集管。
    7. 兩CCP迴路之冷端及熱端注水管路下游各分為三路,分別注入RCS三迴路。集管下游三條管路上各有手動針閥,僅於試運轉期間平衡三迴路注水流量時調整用,正常運轉以後並不操作。RHR熱端管路注水集管下游僅分成二路,分別注入RCS第一及第二迴路的熱端。

  2. HHSI(CCP)系統
    1. CCP係水平式離心泵共3台,經一齒輪箱,由感應馬達帶動。每泵均有潤滑及機械式軸封冷卻裝置。潤滑系統熱交換器由CCW冷卻。最小流量閥經常開啟以防泵過熱受損,此閥於SI訊號出現時關閉。
    2. 壓力試驗排量式泵
      此泵無安全功能,僅用於蓄壓槽充水並維持適當水位及RCS壓力試驗。水源來自RWST。
    3. 注硼槽
      注硼槽基本上是一充滿硼液之壓力槽。
    4. 注硼調節槽(BIT Surge Tank)
      當BIT因溫度變化,以至水容積增減時,由調節槽來容納或補充。
    5. 注硼槽再循環泵
      兩台再循環泵自調節槽將硼液打至BIT再回到調節槽,以使BIT內硼液之濃度與溫度均勻。
    6. RHR至CCP進口閥
      此閥位於RHR熱交換器下游與CCP上游,平常關閉,於安全注水階段結束轉變至冷端管路再循環階段時開啟。
    7. BIT隔離閥
      BIT進口及出口隔離閥皆由兩並聯之電動閥組成。
    8. RWST至CCP進口隔離閥
      此二閥並排,平常在關閉位置,於接到SI訊號時自動開啟。二閥分屬二獨立電源,故不受單一故障的影響。
    9. VCT至CCP進口隔離閥
      此二閥串聯,通常位於開啟位置,於接到SI訊號或VCT低水位信號時自動關閉。二閥分屬二獨立電源,即使一閥因故障無法關閉,另一閥仍可關閉。
    10. CCP最小流量閥
      三台CCP有三個並聯的最小流量閥,此三閥之下游匯流於一管,有一串聯最小流量閥BG-HV-30,前面三閥與後面一閥分屬獨立的電源。
    11. 正常充水隔離閥
      此二閥串聯,通常位於開啟狀態,於接到SI訊號時關閉。  

  3. 蓄壓槽系統
    1. 蓄壓槽
      三台獨立之蓄壓槽分別連接至RCS三個迴路,電廠正常運轉時,蓄壓槽出口隔離閥全開,僅靠二止回閥阻擋RCS高壓,當RCS壓力低於蓄壓槽上部氮氣壓力時,氮氣迫使含硼水流入RCS,其中進入速度由RCS降壓之速率決定。
      蓄壓槽氮氣體積受水位高低的影響。氮氣來自外界氮氣瓶,正常運轉時蓄壓槽與氮氣瓶隔離。氮氣壓力可隨時加以調整。水量由壓力試驗泵自RWST補充,亦可經適當管路洩回RWST或EDT。
    2. 蓄壓槽出口隔離閥
      此電動閥通常在全開位置,當RCS壓力高時,此閥即使在關閉位置亦會自動開啟。當SI訊號出現時,此閥能自動開啟,且無法手動關閉。當停機降載時,此閥可予以關閉,以免RCS壓力低於氮氣壓力時,引起蓄壓槽不必要之動作。
      在所有的運轉情況下,隔離閥之電源均在off位置。當起動時RCS壓力超過高時,操作員在現場送電,由控制室打開,打開後把電源切開。正常停機時,當RCS壓力低,則再次送電 ,關閉該閥並將電源再次切離,以防誤操作。

  4. 燃料更換水儲存系統
    1. 更換燃料水儲存槽(RWST)
      1. RWST係直立式圓柱水泥槽體,內襯不袗板製成,當反應爐運轉時,槽內水量確保爐心在發生LOCA或更換燃料時,有足夠之停機餘裕。
      2. RWST係被動元件,且僅於發生LOCA後短時間內須要用到,故不必考慮採用重複性(Redundancy)設計。RWST直通大氣,有溢流管及洩水管通液體廢料處理系統。RWST並有取樣系統,定期取樣分析水質,若水質不佳,則須經燃料池淨化系統(Fuel Pool Cleanup system)移除雜質。
      3. RWST之水位指示顯示在主控制盤上,並有高水位警報提醒操作員避免溢流;低水位警報,提醒運轉人員注意RWST水位已降低到Tech Spec之要求。
    2. 正常運轉時,RWST可用來測試RHR,圍阻體噴灑泵和添加劑噴吸器(Additive Eductors),測試流量經由這些被測元件最小流量閥流回RWST。
    3. RWST在熱停機或冷停機期間雖然不用,但仍然處於可用狀態。

.系統運轉

  1. 機組起動
    起動時,CCP置於CVCS系統中運轉。RHR在RCS壓力、溫度到達以後置於備用狀態,其進口改由RWST。當RCS壓力超過蓄壓槽壓力時,蓄壓槽出口隔離閥開關先行送電,由操作員於主控制盤打開然後再將電源切開。當RCS壓力超過SI復歸壓力時,SI訊號自動復歸。在此之前操作員須隨時注意,一旦發生LOCA必須手動起動SI訊號,因此時ECCS處於閉鎖狀態 。

  2. 機組停機
    機組停機,RCS壓力低於閉鎖SI訊號設定時SI訊號須閉鎖。RCS壓力過低蓄壓槽出口隔離閥須先行送電再由操作員於主控制盤關閉,關閉後再將電源切開。

  3. 機組正常發電
    此時ECCS處於後備狀態(Standby Mode)。RHR泵停轉,RHR由RWST來之進口閥全開。BIT進口及出口閥全關,BIT再循環泵視需要自BIT將硼液泵送至調節槽。蓄壓槽注水管路除止回閥外各閥全開,CCP自VCT取水,其RWST進口閥LV-115B及LV-115D須全關。

  4. 發生緊急事故時
    1. 注水階段
      1. 安全注水發生後:

        1. 二台充水泵起動,充水泵入口由VCT轉變為RWST取水。
        2. 正常充水流程隔離。
        3. BIT再循環系統停止。
        4. 充水泵從RWST取水經BIT進入RCS冷端。
        5. 當RCS壓力降至蓄壓槽壓力時,蓄壓槽開始注水進入RCS冷端。
        6. RHR泵起動再循環運轉,一直至RCS壓力降至RHR水頭壓力才由RWST取水注入RCS
          安全注水階段ECCS設備由RWST取水注入RCS冷端,當RWST水位降低,圍阻體再循環集水池水位上升,RWST水位達到低—低水位時,RHR泵自動轉換為由圍阻體再循環集水池取水,從此進入冷端再循環階段。
          倘若事故判明為蒸汽管路斷裂,ECCS之動作與LOCA完全相同,即使RCS並未失去任何水量,然而由於RCS急冷,體積收縮以致RCS壓力急降,調壓槽水位降低。此時CCP經BIT打入高濃度硼液,會逐漸使調壓槽水位恢復 。
          倘若發生小型LOCA,RCS之壓力可能仍相當高,為了避免高溫高壓狀態可能使破裂情況加劇,必須儘快將溫度壓力降下來,此時可利用蒸汽排放系統(Steam Dump System)來加快降溫的速度。當RCS溫度降低時,須將蓄壓器出口隔離閥關閉。RCS溫度壓力降至RHR可有效運用時,按正常停機程序操作。
    2. 冷端管路再循環階段
      當RWST過低水位,RHR自動改自再循環集水池取水時,注水階段結束冷端管路再循環階段開始。此階段開始之前,SI訊號須加以復歸(Reset)。
    3. 熱端管路再循環階段
      在此階段圍阻體再循環集水池經由RHR泵、RHR熱交換器、CCP注入RCS熱端管路,由爐心上部倒流以移走衰變熱,然後經由RCS斷裂處再流回再循環集水池。
      熱端再循環轉換完成後,所有ECCS泵(RHR、CSS和CCP)仍然從再循環集水池取水,此時有兩串獨立的高壓注水和一串低壓注水,RHR熱交換器將集水池的水溫降低再注入RCS熱端管路。
      當電廠進行和復原工作時,冷端再循環與熱端再循環每12小時轉換一次。此時必須密切的取樣分析硼酸濃度不可 過低,可以使用緊急加硼操作來保持硼酸的濃度。