Analysis of the Initiating Event of TOPAZ-II Space Nuclear Reactor Power System
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摘要: 为综合评价空间核反应堆的安全性，为其设计、运行提供技术支持，本研究基于概率安全分析（PSA）方法，以TOPAZ-Ⅱ空间核反应堆电源为研究对象，对其始发事件（IE）展开研究。通过运行经验反馈、失效模式及影响分析（FMEA）2种途径得到了涵盖TOPAZ-Ⅱ核反应堆电源所有任务阶段的IE清单，共计15个。进一步依据系统响应过程，将IE归为6组。研究表明，因设计特征、运行环境及任务阶段的独特性，空间核反应堆电源的IE与地面核动力设施相比存在显著差异。本研究确定的TOPAZ-Ⅱ空间核反应堆电源IE清单及其分组方法为空间核反应堆的PSA奠定了初步研究基础。
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关键词:
- 空间核反应堆 /
- TOPAZ-Ⅱ /
- 概率安全分析 /
- 始发事件（IE）分析 /
- 失效模式及影响分析
Abstract: To comprehensively evaluate the safety of space nuclear reactors and provide technical support for their design and operation, based on probabilistic safety assessment (PSA) method, this study takes TOPAZ-Ⅱ space nuclear reactor power system as the research object, and a study on its initiating events (IEs) is carried out. A list of 15 IEs covering all mission phases of the TOPAZ-Ⅱ is obtained through two means: operational experience feedback and Failure Mode and Effects Analysis (FMEA). These IEs are further classified into 6 groups according to their system response process. Research has shown that due to the uniqueness of design features, operating environment, and mission phases, there are significant differences in the IE of space nuclear reactor power system compared to ground nuclear power facilities. The IE list and its grouping method determined for TOPAZ-Ⅱspace nuclear reactor power system in this study have laid the preliminary research foundation for the PSA of space nuclear reactors. -
表 1 TOPAZ-Ⅱ地面试验的失效模式汇总
Table 1. Summary of Failure Modes for TOPAZ-Ⅱ Ground Tests
失效模式 失效原因 事故后果 已采取的改进措施 TFE短路事故 电极间隙存在气体杂质/发射极受热变形 影响较小，堆芯保持结构完整性 改变发射极材料，变形降低50% 小破口 LOCA 冷却剂回路泄漏 停堆，堆芯保持结构完整性 无 慢化剂失氢事故 冷却剂出口温度过高（至890 K） 反应堆永久停堆 无 慢化剂碎裂事故 高温冷却剂流入慢化剂中 反应堆永久停堆 无 
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表 2 TOPAZ-Ⅱ的FMEA表
Table 2. FMEA for TOPAZ-Ⅱ
部件名称 功能[10] 失效模式 故障原因 任务
阶段故障影响 严酷度
等级直接原因 间接原因 局部影响 最终影响 UO2芯块 通过裂变反应释放热量 辐照肿胀 UO2热导率低，温度梯度过大时开裂[12] 冷却剂丧失 ③、④ TFE短路 系统故障 Ⅲ 慢化剂正温度
效应[13]③ 燃料氧化致裂变产物释放份额升高[14] 气体吸收器故障 ③、④ 中心孔堵塞 芯块轴向温度不均致轴向质量迁移[15] 无 ③ 减少TFE寿命 系统降级 Ⅳ 重返临界 再入落入水中[16]/湿沙[17] 无 ⑤ 堆芯损伤 系统故障 Ⅳ 发射极 发射电子 变形 过热 芯块肿胀[11]/垫片
失效④ TFE短路 系统故障 Ⅲ 性能下降 发射极材料向接收极输运而逐渐耗尽[11] 电极间隙存在气体杂质[11] ④ 降低TFE性能，减少寿命 系统降级 Ⅳ Nb箍圈 支撑TFE 脆化断裂[11] 氧化 气体吸收器故障 ④ 减少TFE寿命 系统降级 Ⅳ ZrH慢化剂 慢化中子 失氢 高温下氢迁移[11] 冷却剂丧失/流量减小致导热不足 ③、④ 慢化剂失效 停堆 Ⅱ 碎裂 高温冷却剂流入[11] 冷却剂回路破口 慢化剂失效 停堆 Ⅰ 控制鼓/
安全鼓控制反应性/紧急停堆 弹出[10] 不锈钢固定带失效 控制指令有误 ③、④ 引入反应性 停堆 Ⅱ 意外转动 环形齿轮磨损 驱动电机故障/控制指令有误 卡住 环形齿轮故障锁死 驱动电机故障 局部反应性无法调节 系统降级 Ⅲ LiH轻屏蔽 屏蔽中子 氢迁移[18] 内部温度梯度大，且长时间中子辐照 无 ④ 降低电子仪器寿命 系统降级 Ⅲ 电磁泵 驱动冷却剂
流动输出电压低[19] 1个或2个TFE失效 无 ③、④ 堆芯导热不
足，未熔毁系统降级 Ⅲ 无输出电压 3个TFE全部失效 冷却剂泄漏导致电磁泵失效 堆芯导热不足 停堆 Ⅱ NaK冷却剂回路 承载冷却剂的流动回路 小破口泄漏[20-21] 焊接或材料失效的小裂纹 无 ③、④ 堆芯导热不
足，未熔毁停堆 Ⅱ 辐射散热管单点
失效无 电磁泵振动[11] 冷却剂沸腾空泡 大破口泄漏[20] 部分辐射散热管
失效与天空碎片等撞击 慢化剂碎裂 停堆 Ⅰ NaK冷却剂 冷却堆芯 沸腾[22] 冷却剂温升过大/失压 堆芯引入反应性/冷却剂流量减少 ③、④ 堆芯局部导热不足 系统降级 Ⅳ 凝固 启动加热器失效/隔热罩破损失效 无 ③ 启动失败 发射失败 Ⅱ 铯 提高TFE效率 液化[11] 反应堆冷却剂出口管的加热温度不足 部分TFE性能下降/短路失效 ③、④ TFE振动 系统故障 Ⅳ 铯供应回路 供应铯 流量丧失[23] 阀门失效误开 与太空碎片等撞击导致破口 ③、④ TFE失效 停堆 Ⅱ ③、④、⑤—发射部署阶段、运行阶段、任务终结处置阶段
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表 3 TOPAZ-Ⅱ系统IE清单及分组
Table 3. IE List and Groups for TOPAZ-Ⅱ System
序号 IE清单 IE分组 IE描述 所属任务阶段 TOPAZ-Ⅱ运行状态 事件分类 1 小破口LOCA 发射部署阶段、运行阶段 启动、运行 内部事件 反应堆冷却剂装量减少 2 大破口LOCA 3 部分失流事故-TFE故障 运行 反应堆冷却剂流量减少 4 全部失流事故-电磁泵故障 5 失流事故-冷却剂凝固 发射部署阶段 未启动 6 TFE短路事故 发射部署阶段、运行阶段 启动、运行 反应性和功率分布异常 7 控制鼓弹出事故 8 安全鼓弹出事故 运行 9 控制鼓误动作事故 启动、运行 10 安全鼓误动作事故 运行 11 铯供应丧失事故 12 失去外部电负荷 未能紧急停堆的预期瞬变 13 LiH轻屏蔽失效事故 运行阶段 屏蔽事故 14 重返临界事故 任务终结处置阶段 停堆后重返临界 外部事件 外部灾害 15 火灾 发射准备阶段、发射部署阶段 未启动
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图(1) / 表(3)
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