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user: 3. 事件树扩展和堆外物理现象评估 CAP1400现有的功率运行下安全壳事件树如图2所示(以电厂损伤状态3BE为例)，其中序列21对应于堆腔淹没失效的分支，在目前的保守假设中该分支直接导致安全壳失效。为评估CAP1400现有的设计特性在应对蒸汽爆炸和MCCI中的表现，需要对该序列进行扩展，相应地设置新的题头。 由于堆外严重事故现象与压力容器失效模式相关，因此首先对CAP1400电厂压力容器失效模式进行分析。压力容器失效前内外情形如图3所示。堆芯融化和下落后，压力容器下封头内容易出现由金属层和氧化层构成的两层熔池结构 [ 4 ] 。根据熔融池传热分析，压力容器壁面的最高热流密度出现在金属层。由于堆腔内的水位有限，无法在保温层内形成自然循环，这将大大降低临界热通量。经受最高热流密度的位置将先于其他位置丧失外部有效冷却，该环状区域将发生蠕变失效，下封头失去平衡摆向堆腔，压力容器由此发生铰链式失效。 3.1. 蒸汽爆炸 题头SE：是否未能发生蒸汽爆炸使安全壳失效？ 成功准则：未发生蒸汽爆炸或者发生蒸汽爆炸的压力脉冲未破坏安全壳结构的完整性。 CAP1400电厂压力容器发生铰链式失效后，熔融物的碎裂长度将大于在堆腔冷却剂中下落的距离，发生细粒化的熔融物份额很小，向水传递能量不充分，不满足发生传统蒸汽爆炸的条件。因此本文认为CAP1400电厂发生传统蒸汽爆炸概率很小。 液态熔融物从压力容器倾泻到堆腔地板上后向四周扩展，过程中就有可能发生分层蒸汽爆炸。目前，国内外对分层蒸汽爆炸机理的理解还不够清晰，相关研究正在进一步开展。然而，由于对传统蒸汽爆炸 图2. 功率运行下安全壳事件树 图3. 压力容器失效前内外情形 的研究已经比较充分，本文将通过对比两者能量的释放和电厂结构的响应，评估分层蒸汽爆炸对CAP1400电厂的影响。根据Grishchenko等人 [ 5 ] 进行的小规模实验研究，分层蒸汽爆炸的能量转换率为3.07%。与传统蒸汽爆炸相比，能量转换率相当 [ 6 ] 。由此判断，分层蒸汽爆炸产生的能量与传统蒸汽爆炸相近。另一方面，电厂结构是否能够承受蒸汽爆炸也需要分析。根据Seung Hyun Kim等人 [ 7 ] 关于堆腔内构筑物对传统蒸汽爆炸响应的模拟，爆炸产生的强度远小于堆腔混凝土的屈服强度。因此，本文认为分层蒸汽爆炸对堆腔混凝土的影响有限。然而，考虑到分层蒸汽爆炸粗混合的机理仍在研究，小规模实验结果的应用存在尺寸效应等不确定性，无法简单地排除分层蒸汽爆炸对安全壳完整性的威胁。综上所述，本文认为CAP1400电厂有可能发生分层蒸汽爆炸，但它不是安全壳完整性的主要威胁。 综合以上对两种形式蒸汽爆炸的考虑，本文赋予SE题头向下分支蒸汽爆炸导致安全壳失效的概率为0.1。 3.2. 熔融物-混凝土相互作用 题头CCI：MCCI是否未导致安全壳失效？ 成功准则：熔融物在堆腔内有效地扩展，堆腔的设计有足够的裕量应对MCCI。 熔融物落到堆腔地板上后将向四周扩展至一定范围。一般说来，在熔融物质量确定的情况下，扩展的范围越大，熔池的厚度越薄，越利于后续冷却。由于CAP1400的设计特性能够保证事故进程内始终有足够的水量覆盖在熔融物的表面上，因此冷却机制自发地作用，持续带出衰变热直至碎片床得到冷却。当MCCI停止时，如果堆腔的熔化深度小于底板厚度，则可以保证安全壳的完整性。因此，本题头的成功概率主要取决于以下两个因素： 1) 熔融物是否能够有效地扩展； 2) 堆腔底板的厚度是否能防止熔穿。 下面论文就对这两个因素分别展开论述。 3.2.1. 熔融物是否能够有效地扩展 熔融物是否能够有效地扩展主要取决于压力容器失效模式和堆腔形状。在铰链式失效模式下，熔融物以一个极大的速率沉积在堆腔地板上。自由流动的熔融物很容易在堆腔内大范围扩展。CAP1400电厂堆腔形状如图4所示，扩展区域主要由一个八角形和一个矩形区域组成。这样的堆腔结构与AP1000电厂的设计类似，因此熔融物在AP1000电厂堆腔内的扩展情况可以作为参考。根据AP1000电厂DCD文件 [ 8 ] ，对于铰链式失效模式，分析结果表明堆芯熔融物能够在整个堆腔地板上相对均匀地扩展。因此，本文认为CAP1400电厂压力容器发生铰链式失效后，堆腔的形状对熔融物扩展的影响较小，熔融物能够在堆腔内有效地扩展。 3.2.2. 熔融物是否能够有效地扩展 目前，石岛湾示范工程CAP1400电厂堆腔底板采用的是6 m厚的玄武岩混凝土，这种混凝土在应对MCCI的过程中容易分解，产生较少不凝气体 [ 9 ] 。熔融物在堆腔内停止扩展后，对混凝土的消融深度主要取决于其衰变热。 根据事故进程的快慢不同，CAP1400电厂压力容器失效的时间在2至7小时不等。因此，不同工况下，熔融物衰变热存在差异。如果压力容器在事故进程2小时后失效，熔融物衰变热较高，冷却至MCCI终止所需的时间较长，混凝土熔化的深度较大。压力容器失效时间为7小时的工况，则情况相反。根据熔融物质量和堆腔形状，可以估算熔融物在堆腔内有效地扩展后，熔池初始厚度为三十多厘米。 Mitchell T. Farmer等人 [ 10 ] 对熔融物的冷却机理进行了多年的研究，并将研究成果应用于CORQUENCH程序的改进。他们模拟了熔融物在玄武岩堆腔中采用顶部淹没的方式进行冷却的情况。这种情况下，水、熔融物和堆腔的构型与示范工程的工况相同，因此熔融物冷却的情况很具有参考价值。部分模拟结果与示范工程工况的对比如表1所示。 对比CAP1400电厂工况与模拟工况，可以看到CAP1400电厂工况中，压力容器失效时间长于模拟工况，而且熔融物中包含不具有衰变热的熔融堆内构件，因此可以判断CAP1400电厂工况中熔融物的衰变热较低。结合熔融物初始厚度来看，CAP1400电厂压力容器发生铰链式失效后，混凝土熔化深度将超过3 m。考虑到CORQUENCH程序的改进是基于小规模的实验结果，可能存在尺寸效应使熔融物冷却机制在实际过程中发挥受限，因此本文认为不能完全排除CAP1400安全壳底板被熔穿的可能。 综合上述对于熔融物扩展情况和熔化深度的评估，本文认为铰链式失效后熔融物在CAP1400电厂堆腔中容易相对均匀地扩展，对于熔融物具有较大衰变热的工况，安全壳混凝土的设计深度可能不足够应对MCCI。因此，根据压力容器失效模式和失效时间概率分布，本文赋予CCI题头向下分支MCCI导致安全壳失效的概率为0.3。 图4. CAP1400电厂堆腔形状示意图 Table 1 Comparison between CAP1400 plant condition and CORQUENCH stimulation conditio CORQUENCH程序模拟工况 CAP1400电厂工况 压力容器失效时间 2小时 2至7小时 熔融物成分 堆芯物质 堆芯物质与堆内构件的混合物 熔池初始厚度 35 cm 40 cm 最终熔化深度 3.5 m 5 m 待评估 表1. CORQUENCH程序模拟工况和CAP1400电厂工况对比 图5. 序列21扩展后的安全壳事件树 3.3. 可燃气体燃烧相关题头 在目前二级PSA对堆内产氢燃烧情况的分析中，未考虑复合器的作用，这过于保守。考虑到8个复合器可以协助点火器消除发生MCCI后产生额外的可燃气体，同时敏感性分析表明，氢气题头对安全壳完整性的影响较小，因此本文在事件树扩展后仍然保留可燃气体相关题头的原事件树输入。 另外，由于石岛湾示范工程CAP1400电厂堆腔底板采用的是玄武岩混凝土，这种混凝土在MCCI过程中产生较少不凝气体，只要安全壳冷却有效就不会造成安全壳超压失效。 至此扩展的事件树如图5所示。对原事件树IVR失效后相应的的序列21增加了针对MCCI和蒸汽爆炸的考虑，同时保留了PCS和氢气相关设备作用对安全壳完整性的影响，完善了就CAP1400在应对堆外严重事故效果的评估。 3.4. 结果 通过上述对事件树的扩展，堆腔淹没失效后堆外严重事故导致安全壳失效的评估概率由扩展前假设的100%降低至43%，相应的序列对LRF的贡献比例评估结果明显下降。CAP1400安全壳条件失效概率评估结果降低约1/5，有效性评估结果由93%提高至95%，相较于扩展前安全壳有效性结果有较明显的提高，更合理地评估了安全壳设计和严重事故缓解措施对安全壳有效性的贡献。