AP1000和M310安全殼冷卻系統(tǒng)的對(duì)比與分析

藺洪源

（中核遼寧核電有限公司，遼寧 興城 125100）

0 前言

AP1000為第Ⅲ代核電站，其突出特點(diǎn)主要體現(xiàn)在安全系統(tǒng)方面，利用非能動(dòng)技術(shù)，安全系統(tǒng)可以依靠重力輸水、自然循環(huán)等來實(shí)現(xiàn)其安全功能，這也使安全系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化，減少能動(dòng)設(shè)備的使用，降低了對(duì)安全系統(tǒng)相關(guān)支持系統(tǒng)和設(shè)備在事故情況下的功能要求。非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)(PCS)是AP1000安全系統(tǒng)的重要組成部分，在系統(tǒng)觸發(fā)后，PCS允許事故72h內(nèi)無(wú)需操縱員干預(yù)，這相比安全殼噴淋系統(tǒng)(EAS)觸發(fā)后約20分鐘就可能需要人為干預(yù)進(jìn)入再循環(huán)噴淋階段來說，大大降低了人因失誤的風(fēng)險(xiǎn)，提高了安全性能。

利用PSA對(duì)堆芯損傷概率和大量放射性釋放概率的分析對(duì)比如下：

①堆芯損傷概率：第Ⅱ代核電站為 6.7×10-5；AP1000 為 5.08×10-7。

②大量放射性釋放概率：第Ⅱ代核電站為5.3×10-6；AP1000為5.94×10-8。

通過上述概率可以得出，AP1000較NRC要求目標(biāo)和Ⅱ代核電(M310)在安全性上有了顯著提高，本文將對(duì)非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)(PCS)和安全殼噴淋系統(tǒng)(EAS)進(jìn)行比較，進(jìn)而得出利用PCS的非能動(dòng)特性使AP1000在安全性能上提高的結(jié)論。

1 非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)(PCS)

PCS為AP1000提供了安全相關(guān)的最終熱阱，當(dāng)發(fā)生失水事故(LOCA)或主蒸汽管道破裂事故導(dǎo)致安全殼壓力和溫度升高進(jìn)而觸發(fā)PCS動(dòng)作時(shí)，來自非能動(dòng)安全殼冷卻水儲(chǔ)存箱(PCCWST)的水依靠重力輸送至鋼制安全殼外表面，依靠對(duì)流、輻射、熱傳導(dǎo)和水份蒸發(fā)等方式導(dǎo)出安全殼內(nèi)的熱量來降低殼內(nèi)的溫度和壓力，以防止安全殼超壓，保證安全殼的完整性，避免放射性物質(zhì)向安全殼外釋放。

PCS包括與安全殼屏蔽廠房連為一體的冷卻水儲(chǔ)存箱、冷卻水分配裝置及相關(guān)的儀表、管道和閥門；還包括輔助儲(chǔ)水箱、循環(huán)泵、電加熱器、化學(xué)添加箱及循環(huán)管線上的儀表、管道和閥門。

在PCS觸發(fā)后，供水并聯(lián)管線上的三個(gè)常閉隔離閥將自動(dòng)開啟，冷卻水儲(chǔ)存箱依靠重力流向安全殼穹頂?shù)耐獗砻妫⑿纬梢粚铀ぁ９┧芫€上三個(gè)并聯(lián)隔離閥中兩個(gè)為失效開啟的氣動(dòng)閥，另一個(gè)為電動(dòng)閥。每個(gè)隔離閥的上游均設(shè)有一個(gè)常開的電動(dòng)閥，用于在下游隔離閥誤開時(shí)隔離冷卻水。

來自PCCWST的冷卻水依靠重輸送至懸掛在安全殼穹頂上部的冷卻水分配盤。分配盤側(cè)壁沿圓周有16個(gè)均勻間隔分布的導(dǎo)流槽，將水分成16股均勻的水流。在安全殼穹頂上焊接有豎向分隔板，將安全殼穹頂分成8個(gè)扇形區(qū)域。導(dǎo)流槽流出的水進(jìn)入8個(gè)扇形區(qū)域，接著流入兩級(jí)冷卻水分配圍盒及分配槽。第一級(jí)冷卻水分配圍堰位于穹頂?shù)谝坏拉h(huán)形焊縫的下方，它收集每個(gè)扇形區(qū)域內(nèi)的水流并匯流到分配盒內(nèi)。分配盒使冷卻水在安全殼表面重新形成均勻分布的水膜。第二級(jí)冷卻水分配圍堰位于穹頂?shù)诙拉h(huán)形焊縫的下方，對(duì)水流進(jìn)行再次收集并將水流均勻分配到安全殼表面。沿安全殼外壁下流的安全殼冷卻水，若沒有被蒸發(fā)，則流入安全殼環(huán)形空間并通過與安全相關(guān)的地面疏水槽最終流入雨水槽。

事故發(fā)生初期，向安全殼內(nèi)釋放能量較大，PCCWST依靠水箱內(nèi)部的4根立管向安全殼供水。隨著事故發(fā)展，釋放到安全殼內(nèi)的能量逐漸較少，同時(shí)水箱水位逐漸降低，導(dǎo)致供水立管依次裸露，冷卻水流量降低，但足以保證對(duì)安全殼的冷卻，實(shí)現(xiàn)了冷卻流量和殼內(nèi)熱量的自動(dòng)匹配。事故后72小時(shí)內(nèi)不需操縱員干預(yù)，但必要時(shí)，操縱員需要調(diào)整安全殼冷卻水流量以有效降低安全殼壓力。

此外，在安全殼和屏蔽廠房之間的空氣流道中形成一個(gè)自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)力，使空氣沿著安全殼殼體外表面向上流動(dòng)，促進(jìn)安全殼殼體表面的水分蒸發(fā)，降低安全殼的壓力。空氣流道包括濾網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)的空氣吸入口和空氣導(dǎo)流板，該空氣導(dǎo)流板將安全殼外表面與屏蔽廠房?jī)?nèi)表面之間的空間分隔為兩個(gè)環(huán)形區(qū)域，空氣導(dǎo)流板外側(cè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)的空氣向下流動(dòng)，而內(nèi)側(cè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)的空氣沿著安全殼殼體向上流動(dòng)，空氣最終從一個(gè)高位排放煙囪排出。

2 安全殼噴淋系統(tǒng)(EAS)

在發(fā)生LOCA或安全殼內(nèi)蒸汽管道破裂事故下，高溫、高壓的蒸汽噴放出來，使安全殼內(nèi)壓力和溫度升高。EAS通過噴淋冷凝蒸汽，使安全殼內(nèi)壓力和溫度降低到可接受的水平，確保安全殼的完整性。EAS是M310機(jī)組專設(shè)安全設(shè)施中唯一有冷源的系統(tǒng)。

為保證噴淋的可靠性，每臺(tái)機(jī)組的噴淋系統(tǒng)由兩條相關(guān)的管線(A/B列)組成，每個(gè)系列能保證100%的噴淋功能。每列管線包含一臺(tái)噴淋水泵、一個(gè)化學(xué)添加劑噴射器、一個(gè)熱交換器、兩條位于安全殼頂部不同標(biāo)高的噴淋集管以及共同的化學(xué)添加回路。

化學(xué)添加箱內(nèi)裝有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的NaOH溶液，化學(xué)添加劑噴射器將吸入的NaOH溶液與主水流混合，進(jìn)入噴淋管。安全殼噴淋水中的NaOH能夠吸附事故后釋放到殼內(nèi)大氣中的揮發(fā)性碘，進(jìn)而將碘帶到地坑中，同時(shí)NaOH可以提高噴淋水的pH值，避免結(jié)構(gòu)材料的腐蝕。安全殼地坑的作用是收集安全殼內(nèi)的泄漏水和噴淋水，以便再循環(huán)使用。

系統(tǒng)觸發(fā)后，它的運(yùn)行方式分為兩個(gè)階段：1）直接噴淋階段，以換料水箱的水作為水源，按噴淋方式運(yùn)行。EAS從換料水箱取水、向安全殼提供噴淋水，排出安全殼內(nèi)熱量，降低安全殼內(nèi)壓力和溫度以達(dá)到維持安全殼的完整性所能接受的水平；2）再循環(huán)噴淋階段，以安全殼再循環(huán)地坑水作為水源，按再循環(huán)噴淋方式運(yùn)行。在直接噴淋階段后期（約20分鐘），EAS將安全殼再循環(huán)地坑中的水經(jīng)熱交換器冷卻后向安全殼大氣噴淋（自動(dòng)或手動(dòng)），以帶走反應(yīng)堆系統(tǒng)的余熱，從而使安全殼內(nèi)的溫度和壓力達(dá)到維持安全殼完整性所要求的水平。同時(shí)，噴淋水中的NaOH溶液可以有效降低安全殼內(nèi)的放射性水平。

3 對(duì)比與分析

通過對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比分析，我們不難發(fā)現(xiàn)：

①AP1000安全系統(tǒng)PCS在設(shè)計(jì)上進(jìn)行了簡(jiǎn)化，使其與安全殼隔離，降低了安全殼在事故情況下被意外旁路的可能，減少了放射性釋放到外界環(huán)境的可能，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單。

②因動(dòng)作的非能動(dòng)性，PCS較EAS能動(dòng)部件大為減少，增加了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，將可能由泵或者電機(jī)故障導(dǎo)致系統(tǒng)不可用時(shí)間降至最低。PCS可以通過自身的壓力表進(jìn)行壓力測(cè)量，也降低了對(duì)接口系統(tǒng)的要求。

③事故發(fā)生初期，EAS在觸發(fā)后約20分鐘就因?yàn)樗亢谋M而轉(zhuǎn)入再循環(huán)階段，因能動(dòng)部件可能出現(xiàn)故障，這就需要操縱員時(shí)刻關(guān)注系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并采取必要的操作，這也增加了人因失誤的可能。PCS利用PCCWST內(nèi)的水可以在72h內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)人干預(yù)運(yùn)行，由于系統(tǒng)的非能動(dòng)性，操縱員只需關(guān)注相關(guān)參數(shù)即可，從最大程度上減少了人員的誤操作。

通過以上分析，AP1000安全系統(tǒng)PCS較EAS無(wú)論是在設(shè)計(jì)、建造和防人因失誤等方面都有著顯著的優(yōu)勢(shì)，安全性能得到提升，凸顯了Ⅲ代核電非能動(dòng)技術(shù)的優(yōu)越性。

［1］廣東核電培訓(xùn)中心.900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備[M].北京：原子能出版社,2005:193-223.

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