防御內部飛射物布置設計方法研究

蔣韋鋒+徐城杰+李盾+韓浪

摘 要：文章對壓水堆核電項目核島廠房內部飛射物源項的失效、破壞形式進行分析，通過案例及實證來確定防御飛射物的布置設計要求及措施，并通過個案進行飛射物隔離墻的可靠性驗算分析。研究結果顯示當前壓水堆核電廠三種基本防護方法中，布置專業以重要系統分開布置及設置屏障和密閉設施的方法作為理論基礎，通過優化布置設計來防御內部飛射物危害是可行且有效的。該方法在后續新設計項目中，對于核島廠房的總體布置設計具有一定的參考意義。

關鍵詞：內部飛射物；核島布置；穿透計算

引言

當前，核電安全問題引起社會高度關注，而安全的核電廠源于高度安全的設計。內部飛射物災害正是威脅核電廠安全的重要因素之一。因此，做好核電廠的內部飛射物防御工作尤為重要：本項研究以核島廠房內部潛在飛射物源項為分析對象；以源項的失效及破壞形式為分析依據；通過案例法及實證分析法來確定防御飛射物的布置設計要求及措施。此外，本項研究還通過個案研究法來開展飛射物隔離墻的可靠性驗算分析。本研究結果顯示當前壓水堆核電廠三種基本防護方法中，布置專業以重要系統分開布置及設置屏障和密閉設施的方法來防御內部飛射物的危害是有效的。本研究對后續新設計項目的核島廠房總體布置設計具有一定的參考意義。

1 飛射物源項

核島內部飛射物通常由廠房內部設備、部件失效而產生，由于內部飛射物會撞擊周圍的安全級設備、管道或構筑物，從而造成穿透性破壞。因此，結合壓水堆電廠核島廠房內部設備、部件的布置設計特點，可以推斷出內部飛射物通常是由于高速旋轉的設備、部件及高能的承壓設備、部件失效而產生。

針對具體的設備、部件產生飛射物可能性的分析不在本研究范圍內，本研究依據當前壓水堆技術項目特點，通過分析核島廠房內系統及設備參數等基本數據，確定核島廠房內潛在的飛射物源項有以下兩大類設備、部件形式：

（1）高速旋轉部件：泵、風機、壓縮機及汽輪機等。

（2）高能承壓部件：高壓容器、水箱、泵體及閥門等。

在分析高能承壓部件成為內部飛射物源項的可能性時，依據當前壓水堆技術項目特點，需要考慮如下三個方面：

（1）高能管道破裂直接產生的飛射物不需要考慮，因為管道破裂屬于內部災害的另一類災害，不在本研究范圍內。應分析管道甩擊效應產生飛射物的可能性。

（2）儲存動能小的部件不需要考慮。例如，因為螺帽，螺栓和螺釘儲存的動能極小，可忽略其破壞性。

（3）具備高穿透能力的部件需要考慮其作為飛射物的危害。如棒束控制組件或閥桿，由于其特殊的結構而具備較高的穿透能力，因此應將它們作為潛在飛射物做詳細研究。

2 內部飛射物防護的基本準則

內部飛射物災害作為核電廠房內部災害中的一種，對核電安全構成潛在的威脅，因此其防御準則需保證達到如下三方面的總體目標[1]：

（1）不妨礙安全級別為F1級的系統或部件的安全運行功能；（2）不會觸發DBC（設計基準工況）的三、四類事件（DBC-3/4）；（3）不危及安全系列壓力邊界的實體隔離。

依據上述基本原則，內部飛射物屏障必須能夠保護：

（1）冗余安全系統，以實現安全停堆和應付其它內部危害；（2）安全系統的穩定性和完整性；（3）反應堆冷卻劑壓力邊界（除了發生冷卻劑失水事故時）；（4）反應堆內部構件，包括燃料組件；（5）主蒸汽和主給水壓力邊界；（6）燃料水池。

3 核島廠房防御內部飛射物基本布置方法

通過分析核島廠房內部飛射物的失效形式，可以歸納出壓水堆核電廠核島廠房用于防御內部飛射物的幾種基本方法：約束法、重要系統分開布置及設置屏障和密閉設施。

3.1 約束法

約束法的基本原則是在設計中對用于支承和約束雙重功能的裝置中的每種功能單獨地或相互關聯地做了充分的評估，并在相應的部件設計規格書中對其功能作出規定。該方法依據縱深防御的概念，針對核電廠房內的部件采用更可靠的設計結構、水平更高的制造工藝和更嚴格的質量保證程序，從源頭上降低產生飛射物的可能性。

例如，對于核島廠房中的反應堆壓力容器、蒸汽發生器、穩壓器、反應堆主泵泵殼體等，基于縱深防御的理念，使用了高性能的材料、冗余的設計、先進的制造工藝、嚴格的安裝監理和頻繁的檢查、維護等措施，足以保證這些部件不會迅速失效[2]。

3.2 重要系統分開布置

重要系統分開布置的基本是原則是項目初期依據設備、部件的特性，結合系統要求，通過合理的布置設計，將飛射物源項和受保護的重要系統的冗余序列布置在單獨的區域內。由于該類方法主要通過項目初期階段的合理布置設計來實現的，因此該方法通常需要在概念設計時期便開始考慮。重要系統分開布置的方法通常有圖1的三類基本布置方式：

圖1 功能重要系統的防護

圖中A和B是冗余安全重要系統的部件，H是危害源。

圖1（a）適用于系統A的部件對系統B的部件可能造成危害，而不存在其他危害影響A或B的情況。

圖1（b）適用于系統A和B不會彼此構成危害，但兩者均易受同一危害影響的情況。

圖1（c）適用于系統A和B彼此構成危害，而且它們又容易遭受某一公共危害的影響。

依據基本原則，該方法被廣泛應用在壓水堆核電廠中：

將包括次級隔離閥在內的反應堆冷卻劑系統壓力邊界布置在飛射物防護區內，以確保不會因飛射物而破壞反應堆冷卻劑系統壓力。

將反應堆冷卻劑回路用混凝土結構實現分開布置。以防止發生共模失效。

安全注入系統四列重要系統分開布置。

采用廠房的直線排列布置方式，以保證與核安全級別相關的設備、構筑物、系統和部件處在汽輪機產生的飛射物飛射范圍之外。從而排除飛射物對其造成危害的可能。endprint

3.3 設置屏障和密閉設施

設置屏障和密閉設施的基本原則是在可能產生的飛射物源項與受保護的設備、部件之間，通過布置防護設施來實現防護。依據本原則，防御飛射物布置設計通常有兩種形式：布置隔離墻和設置單獨隔離間。通過該方法，即使飛射物源項失效產生飛射物，也會被布置好的隔離墻所攔截。因此，使用本方法的隔離墻需要經過驗算，以保證該隔離墻不會被飛射物穿透。設置屏障和密閉設施的方法被廣泛應用在壓水堆核電廠中：

把可能產生飛射物的閥門布置在一個專門的閥門房間內。由于需要防御這些閥門可能產生的內部飛射物，這些房間的墻體應經過驗證分析，以保證它們不會被飛射物穿透。如，穩壓器隔離閥房間、化學與容積控制系統隔離閥房間、安全注入和余熱排出系統隔離閥房間等。

通過布置隔離墻將可能產生的飛射物進行攔截。該隔離墻同樣需要經過驗證分析，以保證它不會被飛射物所穿透。如，布置在反應堆換料水池上方厚厚的混凝土蓋板，其功能不僅是輻射防護的屏蔽，同時也做為隔離墻以防御控制棒束組件可能產生的內部飛射物。

4 隔離墻的厚度要求及可靠性驗證分析

4.1 隔離墻的厚度要求

當采用設置屏障和密閉設施的方法來防御內部飛射物時，為防止隔離墻被飛射物穿透，隔離墻的厚度應滿足如下要求：

隔離墻厚>飛射物的穿透深度；

而飛射物的穿透深度，通常依據如下穿透公式[3]來確定：

假設內部飛射物剛好穿透隔離墻時：

（1）

式中：M-飛射物質量（kg）；D-飛射物直徑（m）；V-飛射物速度（m/s）；H-隔離墻厚度（m）；fck-混凝土抗壓強度標準值；ρ-混凝土密度

公式（1）適用條件：

a.鋼筋混凝土

保守運算時，飛射物撞擊速度V=0.88 V穿透，即認為穿透。

剛好穿透時，可以直接使用此公式。

b.預應力混凝土

上述條件a.同樣適用于預應力混凝土

對于帶鋼襯里的預應力混凝土結構，允許穿透速度要考慮10%的放大系數。

依據公式（1），在驗算隔離墻的可靠性時，還可以通過隔離墻的允許穿透速度和飛射物的撞擊速度來判定，當滿足如下條件時，則認為隔離墻沒有被穿透：

撞擊速度<0.88x隔離墻的穿透速度；需要注意的是，公式（1）中驗算出來的穿透深度，僅僅反映了防飛射物隔離墻的要求。大多數情況下，隔離墻除了考慮飛射物的防護要求以外，還要考慮其它設計要求，如放射性屏蔽要求等。

4.2 隔離墻可靠性的驗證分析

由于隔離墻的作用是防御內部飛射物的撞擊，因此需要對隔離墻的可靠性進行驗證分析。具體的分析方法因具體的布置實例而異，如在分析閥門失效故障，閥桿做為飛射物彈射而出時，就需要分析閥體結構、閥體失效形式、閥桿彈射過程及能量、閥桿撞擊隔離墻的速度及撞擊面積、隔離墻混凝土密度及抗壓強度等。在分析控制棒束組件失效，控制棒驅動桿做為飛射物彈射而出時，需要分析壓力容器內外壓差、控制棒束組件結構及其失效形式、棒束組件失效時所產生的飛射物（驅動桿）的能量、驅動桿撞擊隔離墻的速度及撞擊面積、隔離墻混凝土密度及抗壓強度等。這一分析過程往往可以分為兩部分：（1）飛射物的能量計算；（2）飛射物的穿透計算。其分析邏輯如圖2所示，在分析過程中，需要分析該飛射物源項可能產生的各類飛射物，并針對各類飛射物單獨進行分析，以能包絡最壞破壞情況為最終計算分析結果。

圖2 隔離墻可靠性驗證分析邏輯圖

分析的難點通常在于如何確定飛射物的能量。因為飛射物的能量計算需要掌握飛射物源項的失效形式、飛射物源項對飛射物做功的過程及大小等，從而確定飛射物的能量及撞擊隔離墻的速度。再依據撞擊速度及撞擊面積利用穿透公式對隔離墻進行驗證計算，從而確定隔離墻的可靠性。下文將以控制棒束組件失效從而產生內部飛射物為例，對隔離墻展開可靠性驗證分析。

假設控制棒束組件發生失效，引起棒束驅動機構耐壓殼破裂，從而導致彈棒事件。因此考慮驅動桿的彈射對周圍造成的影響，并驗算其周圍的隔離墻是否符合飛射物防護要求。

4.2.1 飛射物的能量計算——控制棒驅動桿的彈射分析

反應堆正常運行工況下，假設一回路冷卻劑的運行壓力為15.5MPa。

假設運行過程中，控制棒驅動機構耐壓殼破裂失效，引發驅動桿的彈射及驅動桿端塞彈射，驅動桿及端塞均會彈射到壓力容器上方的厚混凝土蓋板下表面上，從而對混凝土蓋板構成一定程度的破壞，因此需要分別分析驅動桿及驅動桿端塞的破壞過程，然后取包絡情況作最終分析。因此假設：

只要彈射部件還沒有完全脫離固定部件，認為冷卻劑泄流面積很小；冷卻劑壓力為15.5MPa。

一旦彈射部件與固定部件完全脫離，冷卻劑泄流面積會突然增大，冷卻劑壓力會迅速降低至大氣壓。

L：耐壓殼失效前彈射部件與固定部件之間的結合長度。

PS：彈射部件沿長度L移動時，作用于該部件上的載荷為PS。（P=15.4MPa，主冷卻劑表壓；S：此壓力下冷卻劑作用到彈射部件上橫截面積）

彈射部件彈出后的過程中，主冷卻劑作用于此部件上的載荷為零。

傳遞給彈射部件的能量等于力PS與作用距離L的乘積。

計算公式為：

彈射出殼的瞬間能量E=PSL （單位：j，焦耳）

a.驅動桿分析：按最不利的情況考慮，即驅動桿上方的耐壓殼整體失效；長度L等于整個驅動桿的長度；由于驅動桿部件整個長度L上的外徑是不同的，需分別計算不同長度Li對應的不同截面積Si，最后可得：

（2）

式中：

（3）endprint

Di： 驅動桿外徑。

經分析控制棒驅動桿部件，得知控制棒驅動桿自重50.4Kg，可得受力分析模型，如圖3所示：

圖3 控制棒驅動桿截面受力計算

依據控制棒驅動桿部件參數及公式（2）、（3） 計算后得到：

彈射出殼瞬間能量： E0=128.11Kj

彈射出殼瞬間速度： V0=71.3m/s

b.驅動桿端塞分析：同理，經分析驅動桿端塞結構，得知內部壓強P作用距離L，作用面積直徑D，如圖4所示：

圖4 控制棒驅動桿端塞結構圖

依據控制棒驅動桿端塞參數及由公式（2）、（3） 計算后得到：

彈射出殼瞬間能量： E0=1.93Kj

彈射出殼瞬間速度： V0=38.8m/s

4.2.2 飛射物的穿透計算——隔離墻的穿透分析

由于上文提到，彈射出的驅動桿及驅動桿端塞假設撞擊到反應堆壓力容器上方的厚混凝土蓋板的下表面，即該厚混凝土蓋板充當飛射隔離墻的作用，因此有必要對該厚混凝土蓋板進行可靠性驗算。

依據公式（1），V穿透與飛射物的質量M成反比，與飛射物撞擊截面積直徑D成正比。根據上文計算結果：

M端塞

D端塞>D驅動桿，

且：彈射出殼速度：V端塞

即端塞作為飛射所需的必需穿透速度要大于驅動桿作為飛射物的必需穿透速度，即以驅動桿的穿透過程分析即能包絡端塞的分析過程。因此下文將以驅動桿為飛射物進行計算分析。

假設某項目數據：M飛射物質量=50.4kg；D飛射物直徑=38.8mm；H隔離墻厚度=1.2m；fck混凝土抗壓強度=38.5MPa；ρ混凝土密度=2500kg/m3；彈射出的驅動桿豎直向上飛行距離h：3.5m；

因此，由上文的穿透公式（1）計算出該隔離墻被穿透時所必需的穿透速度：

V穿透=343.1m/s

根據能量守恒定律及動能公式：

E0=E撞擊+Mgh （4）

E撞擊=■MV2撞擊 （5）

得出驅動桿撞擊隔離墻的撞擊速度

V撞擊=70.82m/s

根據飛射物隔離墻評定準則，不允許被穿透時，考慮0.12的削減系數：

V撞擊<0.88V穿透

因此，該飛射物不會對該隔離墻造成穿透性的破壞，即該隔離墻符合飛射物防護要求。

5 結束語

本研究通過分析內部飛射物源項及失效形式為依據，通過案例法來確定防御飛射物的布置設計要求及方法，再依據實證分析法來驗算防御飛射物隔離墻的可靠性。研究結果顯示，內部飛射物的防護主要通過約束法、重要系統分開布置及設置屏障和密閉設施四種基本方法實現，布置專業以重要系統分開布置及設置屏障和密閉設施的方法作為理論基礎，通過優化布置設計來防御內部飛射物危害是可行且有效的。參考本研究的分析方法，分析飛射物源項布置環境、結構特點并結合飛射物穿透公式，則能有效驗算飛射物隔離墻的可靠性。

參考文獻

[1]ETC-S（EPR Technical Code for Safety and Process） Rev. E.

[2]姚偉達，賀寅彪，竇一康.壓水堆核電廠主設備力學分析和研究：從設計到壽命管理[R].中國核科學技術進展報告，2009.

[3]ETC-C（EPR Technical Code for Civil works） version April 2006.

Di： 驅動桿外徑。

經分析控制棒驅動桿部件，得知控制棒驅動桿自重50.4Kg，可得受力分析模型，如圖3所示：

圖3 控制棒驅動桿截面受力計算

依據控制棒驅動桿部件參數及公式（2）、（3） 計算后得到：

彈射出殼瞬間能量： E0=128.11Kj

彈射出殼瞬間速度： V0=71.3m/s

b.驅動桿端塞分析：同理，經分析驅動桿端塞結構，得知內部壓強P作用距離L，作用面積直徑D，如圖4所示：

圖4 控制棒驅動桿端塞結構圖

依據控制棒驅動桿端塞參數及由公式（2）、（3） 計算后得到：

彈射出殼瞬間能量： E0=1.93Kj

彈射出殼瞬間速度： V0=38.8m/s

4.2.2 飛射物的穿透計算——隔離墻的穿透分析

由于上文提到，彈射出的驅動桿及驅動桿端塞假設撞擊到反應堆壓力容器上方的厚混凝土蓋板的下表面，即該厚混凝土蓋板充當飛射隔離墻的作用，因此有必要對該厚混凝土蓋板進行可靠性驗算。

依據公式（1），V穿透與飛射物的質量M成反比，與飛射物撞擊截面積直徑D成正比。根據上文計算結果：

M端塞

D端塞>D驅動桿，

且：彈射出殼速度：V端塞

即端塞作為飛射所需的必需穿透速度要大于驅動桿作為飛射物的必需穿透速度，即以驅動桿的穿透過程分析即能包絡端塞的分析過程。因此下文將以驅動桿為飛射物進行計算分析。

假設某項目數據：M飛射物質量=50.4kg；D飛射物直徑=38.8mm；H隔離墻厚度=1.2m；fck混凝土抗壓強度=38.5MPa；ρ混凝土密度=2500kg/m3；彈射出的驅動桿豎直向上飛行距離h：3.5m；

因此，由上文的穿透公式（1）計算出該隔離墻被穿透時所必需的穿透速度：

V穿透=343.1m/s

根據能量守恒定律及動能公式：

E0=E撞擊+Mgh （4）

E撞擊=■MV2撞擊 （5）

得出驅動桿撞擊隔離墻的撞擊速度

V撞擊=70.82m/s

根據飛射物隔離墻評定準則，不允許被穿透時，考慮0.12的削減系數：

V撞擊<0.88V穿透

因此，該飛射物不會對該隔離墻造成穿透性的破壞，即該隔離墻符合飛射物防護要求。

5 結束語

本研究通過分析內部飛射物源項及失效形式為依據，通過案例法來確定防御飛射物的布置設計要求及方法，再依據實證分析法來驗算防御飛射物隔離墻的可靠性。研究結果顯示，內部飛射物的防護主要通過約束法、重要系統分開布置及設置屏障和密閉設施四種基本方法實現，布置專業以重要系統分開布置及設置屏障和密閉設施的方法作為理論基礎，通過優化布置設計來防御內部飛射物危害是可行且有效的。參考本研究的分析方法，分析飛射物源項布置環境、結構特點并結合飛射物穿透公式，則能有效驗算飛射物隔離墻的可靠性。

參考文獻

[1]ETC-S（EPR Technical Code for Safety and Process） Rev. E.

[2]姚偉達，賀寅彪，竇一康.壓水堆核電廠主設備力學分析和研究：從設計到壽命管理[R].中國核科學技術進展報告，2009.

[3]ETC-C（EPR Technical Code for Civil works） version April 2006.

Di： 驅動桿外徑。

經分析控制棒驅動桿部件，得知控制棒驅動桿自重50.4Kg，可得受力分析模型，如圖3所示：

圖3 控制棒驅動桿截面受力計算

依據控制棒驅動桿部件參數及公式（2）、（3） 計算后得到：

彈射出殼瞬間能量： E0=128.11Kj

彈射出殼瞬間速度： V0=71.3m/s

b.驅動桿端塞分析：同理，經分析驅動桿端塞結構，得知內部壓強P作用距離L，作用面積直徑D，如圖4所示：

圖4 控制棒驅動桿端塞結構圖

依據控制棒驅動桿端塞參數及由公式（2）、（3） 計算后得到：

彈射出殼瞬間能量： E0=1.93Kj

彈射出殼瞬間速度： V0=38.8m/s

4.2.2 飛射物的穿透計算——隔離墻的穿透分析

由于上文提到，彈射出的驅動桿及驅動桿端塞假設撞擊到反應堆壓力容器上方的厚混凝土蓋板的下表面，即該厚混凝土蓋板充當飛射隔離墻的作用，因此有必要對該厚混凝土蓋板進行可靠性驗算。

依據公式（1），V穿透與飛射物的質量M成反比，與飛射物撞擊截面積直徑D成正比。根據上文計算結果：

M端塞

D端塞>D驅動桿，

且：彈射出殼速度：V端塞

即端塞作為飛射所需的必需穿透速度要大于驅動桿作為飛射物的必需穿透速度，即以驅動桿的穿透過程分析即能包絡端塞的分析過程。因此下文將以驅動桿為飛射物進行計算分析。

假設某項目數據：M飛射物質量=50.4kg；D飛射物直徑=38.8mm；H隔離墻厚度=1.2m；fck混凝土抗壓強度=38.5MPa；ρ混凝土密度=2500kg/m3；彈射出的驅動桿豎直向上飛行距離h：3.5m；

因此，由上文的穿透公式（1）計算出該隔離墻被穿透時所必需的穿透速度：

V穿透=343.1m/s

根據能量守恒定律及動能公式：

E0=E撞擊+Mgh （4）

E撞擊=■MV2撞擊 （5）

得出驅動桿撞擊隔離墻的撞擊速度

V撞擊=70.82m/s

根據飛射物隔離墻評定準則，不允許被穿透時，考慮0.12的削減系數：

V撞擊<0.88V穿透

因此，該飛射物不會對該隔離墻造成穿透性的破壞，即該隔離墻符合飛射物防護要求。

5 結束語

本研究通過分析內部飛射物源項及失效形式為依據，通過案例法來確定防御飛射物的布置設計要求及方法，再依據實證分析法來驗算防御飛射物隔離墻的可靠性。研究結果顯示，內部飛射物的防護主要通過約束法、重要系統分開布置及設置屏障和密閉設施四種基本方法實現，布置專業以重要系統分開布置及設置屏障和密閉設施的方法作為理論基礎，通過優化布置設計來防御內部飛射物危害是可行且有效的。參考本研究的分析方法，分析飛射物源項布置環境、結構特點并結合飛射物穿透公式，則能有效驗算飛射物隔離墻的可靠性。

參考文獻

[1]ETC-S（EPR Technical Code for Safety and Process） Rev. E.

[2]姚偉達，賀寅彪，竇一康.壓水堆核電廠主設備力學分析和研究：從設計到壽命管理[R].中國核科學技術進展報告，2009.

[3]ETC-C（EPR Technical Code for Civil works） version April 2006.