大海湾:密西西比州的三起核安全事故引起了NRC的注意

2017年11月8日|上午6:00
戴夫·洛赫鲍姆
前的贡献者

美国核管理委员会(NRC)对密西西比州大海湾核电站的三起事故做出了反应,派出了一个特别检查小组进行调查。虽然这些事故都没有造成不良的核安全后果,但NRC小组发现,在这三起事故中,运营商的表现都非常糟糕。反复出现的性能缺陷使作业者对在设计基础或超出设计基础的事故中成功作业缺乏信心。

的事件

三件事促使NRC派遣了一名特别视察队至大海湾:

(1) 2016年6月,在检修控制系统故障时,未能认识到反应堆功率上下波动超过10%,超出了长期以来要求立即关闭的安全标准,

(2) 2016年9月,当主冷却系统发生故障时,未能认识到备用反应堆冷却系统在需要时无法运行

(3)在2016年9月27日,未能理解控制系统是如何工作的,导致不受控制和意外地向反应堆容器中添加了近24000加仑的水。

(1) 2016年6月反应堆功率振荡事故

图1显示了像大海湾这样的典型沸水反应堆的主蒸汽系统。反应堆容器没有显示出来,但位于其左侧。反应堆核心产生的热量使水沸腾。四根管道将蒸汽从反应堆容器输送到涡轮机。蒸汽带动与发电机相连的涡轮(图1右侧)发电。

图一(来源:核管理委员会)

操作人员定期将反应堆功率水平降低到65%左右,并测试涡轮截止阀(图1中标记为SV)。当涡轮在运行时,截止阀是全开的,但在检测到涡轮问题时,截止阀会迅速自动关闭。当反应堆运行功率超过30%时,关闭截止阀会触发反应堆自动关闭。当功率低于30%左右时,主蒸汽旁通阀(如图1左下角所示)打开,当截止阀关闭时,允许蒸汽流向主冷凝器。

涡轮截止阀的下游是涡轮控制阀(在图1中标记为CV)。当涡轮机运行时,控制阀是部分开启的。当操作人员增加或降低反应堆功率水平时,控制阀由电液控制系统(标记为EHC)自动重新定位。此外,当一条蒸汽管道的截止阀关闭时,EHC系统自动更充分地打开其他蒸汽管道中的三个控制阀。EHC系统和控制阀响应时间的设计是为了使反应堆容器在蒸汽流道改变时经历的压力瞬变最小化。

测试包括操作人员关闭每个截止阀,以验证这些安全功能是否正常工作。然而,在2016年6月17日的测试中,出现了意想不到的结果。当一个截止阀关闭时,EHC系统未能正确地重新定位其他管线上的控制阀,后来当它重新打开时也未能正确地重新定位。控制系统故障导致反应堆功率水平在63%至76%之间波动。

流过沸水反应堆核心的水被加热到沸点。根据设计,沸腾过程中蒸汽气泡的形成就像反应堆功率水平的刹车。反应堆堆芯内原子分裂释放热量。分裂的原子还释放出中子,中子是原子的子成分。中子可以与其他原子相互作用,使它们分裂,这就是所谓的链式核反应。原子分裂释放出的中子具有高能量和高速。中子通过与水分子碰撞而减速。虽然快中子能导致原子分裂,但较慢的中子能更好地发挥这一作用。

EHC系统问题导致涡轮控制阀开得太大,关得太大,超过了处理蒸汽流量的需要。涡轮控制阀开得比必要的大,降低了反应堆容器内的压力,使更多的蒸汽气泡形成。周围的水分子越少,快速中子的速度就越慢,更多的中子就会去其他地方,而不是与原子相互作用,从而引起更多的裂变。反应堆的功率水平随着中子链式反应速率的减慢而下降。

当涡轮控制阀关闭超过必要时,反应堆容器内的压力就会增加。较高的压力使蒸汽气泡破裂,使新的气泡更难形成。周围有更多的水分子,更多的中子与原子相互作用,导致更多的裂变。反应堆的功率水平随着中子链式反应速率的加快而增加。

工人们对EHC系统问题进行了40分钟的故障排除。的反应堆功率水平在63%至76%之间波动因为涡轮控制阀关闭得太厉害,然后又打开得太厉害。最后,一个监测系统检测到不希望看到的功率波动,并自动启动反应堆,导致所有控制棒迅速插入反应堆堆芯,停止核连锁反应。

NRC的特别检查组报告说控制室操作人员没有意识到10%的功率波动超出了安全标准这要求立即关闭反应堆。后拉萨尔反应堆的功率水平不稳定事件1988年3月,伊利诺斯州的大海湾核电站和其他沸水反应堆修改了操作程序,以应对核事故美国核管理委员会授权当反应堆功率水平波动10%或以上时,要求立即关闭反应堆。

EHC系统问题导致不必要和不受控制的涡轮控制阀运动前三年有8次.操作人员写了关于这些问题的状况报告,但没有采取任何措施来确定原因并纠正它。

后果

由于系统的干预触发了反应堆的自动停堆,这一事件没有导致燃料损坏或放射性物质的释放超过正常的常规释放。然而,这一结果的取得离不开运营商的努力。当反应堆功率水平上下波动超过10%时,操作人员的培训和操作程序本应使他们手动关闭反应堆。幸运的是,植物的保护功能弥补了他们的错误判断。

(2) 2016年9月备用反应堆冷却系统故障

2016年9月4日,作用方宣布RHR泵A(图2中下部用红色圈出的部分)在一次定期测试失败后无法运行。该泵是在发生事故时向反应堆容器提供补充冷却水的三个RHR泵之一。RHR泵A和B也可用于在非事故条件下冷却反应堆容器内的水。Grand Gulf的作业许可证只允许该设备在RHR泵a无法运行的情况下继续运行几天。因此,操作人员于9月8日关闭了反应堆,以修复泵。

图二(来源:核管理委员会

操作许可证要求在关闭条件下用两种方法冷却反应堆容器内的水。RHR泵B作为其中一种方法。作业者认为备用衰变热去除(ADHR)系统是第二种方法。ADHR系统显示在图2的右上角。它有两个泵,可以从反应堆容器中取水,通过热交换器,然后将冷却水送回反应堆容器。ADHR系统的热交换器由工厂服务水(PSW)系统提供冷却水。从反应堆容器流出的温水流经ADHR热交换器内的数百根金属管。通过管壁传导的热量被PSW系统带走。

到9月22日,工人们已经更换了RHR泵A,并成功对更换的泵进行了测试。第二天,作业者试图在拆除RHR泵B之前将ADHR系统投入使用。他们发现所有通往ADHR热交换器的PSW阀门(图2右上方的红色圆圈)都是关闭的。当这些阀门关闭时,ADHR泵只会从反应堆容器中抽取温水,通过ADHR热交换器,并将温水送回反应堆容器中,而不进行冷却。

操作许可证要求工作人员在关闭期间每天检查两个反应堆水冷却系统是否可用。在9月9日至22日期间,工人们每天都通过书面工作进行检查。从来没有人走进核电站去确认ADHR泵是否还在那里,PSW阀门是否还开着。

NRC小组确定了8月10日,工人们关闭了ADHR热交换器的PSW阀门对ADHR系统进行维护。维修工作于8月15日结束,但直到9月23日才发现阀门位置不正确,才重新打开。

后果

在此事件中,不恰当地依赖ADHR系统没有不良的核安全后果。它所依赖的是主反应堆冷却系统的备份,它成功地执行了安全功能。如果主系统发生故障,ADHR系统将无法像预期的那样快速接管该功能。幸运的是,ADHR系统的漏洞没有被利用。

(3) 2016年9月反应堆容器过充事故

9月24日,大海湾处于所谓的长周期清理模式。凝汽器热井中的水(图3的右上角)由冷凝水泵通过过滤除盐器和下游给热水器送出,然后通过启动再循环管路循环回凝汽器。一个关闭的阀门阻止了这些水流入反应堆容器。长周期清洗模式允许过滤器脱矿剂去除水中的颗粒和溶解离子。水的纯度在沸水反应堆中很重要,因为任何杂质都倾向于在反应堆容器内聚集,而不是随着蒸汽离开容器而被带走。凝汽器热井中的水是在沸水反应堆中反复使用的水,它产生的蒸汽使汽轮发电机旋转。

图三(来源:核管理委员会)

测试结束后,工人们正在将RHR泵B恢复到备用对齐。他们使用的程序指示他们打开关闭的给水阀门。这个阀门是由控制室里的三个按钮控制的:打开、关闭和停止。一旦这个阀门开始打开,水就开始流入反应堆容器,而不是回流到冷凝器。

操作人员两次按下CLOSE按钮,非常想让阀门重新关闭。但是这个阀门被设计成按下OPEN按钮后移动到全开位置,按下CLOSE按钮后移动到全闭位置。根据设计,阀门在完成整个行程之前不会改变方向。

除非停止按钮被按下。停止按钮,如其标签所示,导致阀门的运动停止。一旦停止,按下关闭按钮将关闭阀门,按下打开按钮将打开阀门。

据核管理委员会的特别检查组称,“操作人员不了解阀门工作模式的全部功能。”没有操作规程指示操作员使用停止按钮。在控制室模拟器中的培训从来没有涉及到停止按钮的作用,因为在任何操作程序中都没有提到它。

由于无法充分利用已安装的控制系统,作业者只能等到阀门完全打开后才完全重新关闭。但这种阀门是工厂里最大、最慢的阀门之一——速度更像大象,而不是猎豹。

在阀门打开期间,估计有24000加仑的水溢满了反应堆容器。如图4所示,容器的正常高度比仪表零点高33英寸,或比堆芯顶部高201英寸。24000加仑的水将反应堆容器填满至仪器零点上方151英寸。

图四(来源:核管理委员会)

后果

超载事件没有不良的核安全后果(除非暴露程序不足、培训不足和性能缺陷也算在内)。

美国核管理委员会的制裁

美国核管理委员会的特别检查组查明了三起违规行为监管要求。其中一项违规行为涉及冷凝水和给水系统程序不足,导致反应堆容器在9月24日发生溢水事件。

另一项违规行为涉及在9月9日至22日期间,尽管ADHR系统由于向ADHR热交换器的工厂供水阀门关闭,无法履行必要的反应堆水冷却仍认为ADHR系统符合运行许可证要求。

第三次违规涉及在9月9日至22日期间对ADHR系统可用性的核查不足。工作人员未能正确验证系统的可用性,只是假设它是一个现成的备份。

UCS的角度来看

这一连串的失误、愚蠢和错误促使核管理委员会派遣了一个特别检查小组,但它们有一个共同的线索。好吧,这三件事都发生在大海湾,有两个共同点。这三次失误都严重影响了运营部门。

在6月的电力波动事故中,操作人员本应手动启动反应堆,但未能这样做。此外,运营商在过去三年中遇到了8次涡轮控制系统问题,并提交了报告,旨在查明问题的原因并进行补救。维修部门本可以,也应该更早地对这些报告做出反应。但是运营部门本可以,也应该坚持解决反复出现的问题,而不是一味地增加未解决问题报告的清单。

在9月份的备用冷却系统故障期间,许多运营商在近两周的时间里多次注意到,由于阀门位置错误,ADHR系统无法正常工作。维修部门本可以,也不应该在维修工作完成后关闭阀门,为操作人员设置疏水阀。但这些操作人员是核电站唯一获得核管理委员会许可的工人,以确保符合旨在保护公众的监管要求。在9月9日至22日期间,他们一次又一次地未能履行这一法律义务。

在9月份反应堆容器溢水事件中,操作人员没有意识到,在长周期清理模式下打开给水阀门会将水送入反应堆容器。这是一个根本的错误,几乎不可能被证明是正确的。随后,操作人员未能正确使用安装的控制系统来减轻事故的影响,从而加剧了这一错误。他们根本不明白这三个按钮是如何工作的,因此无法正确地使用它们。

在NRC特别检查组检查的三个问题中,运营商表现不佳是共同的主线,这几乎没有激发人们对他们的表现在设计基础或设计基础以外的事件中会更好的信心。