AP1000專設安全系統研究

蘇浩源

摘 要 針對第二代核電站的安全運行問題，美國西屋公司設計出AP1000安全專設系統。AP1000采用非能動的系統設計，正是基于設計上的改進，AP1000安全專設系統的特點也非常突出。與傳統核電站相比，AP1000安全性顯著提升，系統可操作性強，事故預防能力提高，而且發電成本得以降低，這些都充分顯現出AP1000專設安全系統的競爭優勢。

關鍵詞 AP1000；專設安全系統；特點

中圖分類號 TM6 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）17-0100-01

早在20世紀70年代，第二代核電機組開始運營。在開展商業化運營過程中，第二代核電機組充分證明了其經濟上的可行性，并且目前仍在繼續發揮作用。但是前蘇聯切爾諾貝利核電站的事故給人們敲響了警鐘，核電站安全設計上的不足急需得到彌補。AP1000是由美國西屋公司開發的1000MWe非能動壓水堆核電站。采用非能動運行方式，第三代核電站在專設安全系統上實現了簡化，同時也極大地提高了運行的安全性。

1 AP1000專設安全系統的產生

20世紀70年代，能源危機推動了核電站的快速發展，世界范圍內開始建造第二代核電機組。但是第二代核電站應對事故的能力不足，切爾諾貝利核電站事故也并非個案，日本福島核事故再次證明核電站安全性提升的必要性。隨著科技的日新月異，在吸取第二代核電站教訓的基礎上，各國相繼開發第三代核電站。其中美國西屋公司設計的AP1000核電站在技術上的優勢尤為突出，其非能動的專設安全系統備受認可。與第二代核電站相比，AP1000在運行的安全性方面實現了飛躍，簡化的系統設計使運行維護也更為簡便。

2 AP1000專設安全系統的構成

AP1000專設安全系統主要由以下系統構成：

第一，非能動堆芯冷卻系統。該系統包括非能動余熱系統和安全注入系統。在傳統的安全注射和應急硼化功能外，AP1000非能動堆芯系統還包含堆芯應急衰變熱導出和安全殼pH控制功能。在反應堆冷卻系統中，非能動熱交換器的引入可保證較長時間的堆芯冷卻。安全注入系統依靠重力和氣體儲能的釋放注射，即使由于出水導致大規模泄露，也可提供堆芯應急冷卻。

第二，安全殼冷卻系統。該系統與傳統壓水堆的安全殼噴淋系統功能相同，作用是在發生破裂事故時排出安全殼內的熱量，使安全殼得到冷卻。系統內、外環廊的空氣存在密度差，從而形成自然循環，空氣通過頂部煙囪排出。安全殼頂部配備72h的冷卻水貯存箱，在重力作用下，水向下流動，可以在安全殼頂部以及外壁形成水膜。一旦安全殼溫度過高，系統可自動開啟，以防安全殼被損壞。

第三，裂變產物去除系統。AP1000并沒有依靠傳統的噴淋方式來去除裂變產物，而是采取自然的過程將裂變產物去除。發生事故后，如放射性活度升高，非能動安全殼噴淋系統在安全殼外充氮罐的壓力作用下進行噴淋，以限制裂變產物的釋放。大部分非氣態的活性物質最后將沉積在冷卻水中。

第四，安全殼隔離系統。AP1000安全專設系統設有兩道隔離屏障，分別在安全殼內和安全殼外。相對傳統核電站，AP1000的安全殼機械貫穿件數量顯著減少，正常狀態隔離閥處于關閉狀態的比例更高。正常打開的隔離閥也由故障自動關閉，不要求貫穿兼具有支持事故后緩解的功能。

第五，主控室應急可居留系統。核電站一旦發生事故，主控室的可居留時間對于事故的應急處理具有重要影響。主控室工作人員需保證充足的空氣供給，并完成具體的事故處理工作。因此，AP1000可居留系統的設計采取自行啟動的方式，在事故發生后，及時向主控室傳遞新鮮空氣，并開展冷卻和增壓等應急處理。工作人員可維持至少72h的繼續居留。

3 AP1000專設安全系統的特點

AP1000專設安全系統通過設計上的改變，也形成以下優勢：

第一，安全性顯著提升。AP1000專設安全系統在第三代核電站運行中發揮了至關重要的作用，相對于第二代核電站，其安全性更為突出。傳統的安全系統需要借助柴油發電機、設備冷卻水系統等作為支持，系統設計較為復雜，同時也給安全管理工作帶來考驗。AP1000專設安全系統則是在已經成熟的壓水堆核電站技術的基礎上，應用非能動安全系統，以自然驅動力為依托，如重力流、對流等，因而設計上的簡化不僅有利于節約成本，更為安全運行創造了條件。目前西屋公司設計的AP1000專設安全系統已得到世界范圍內的廣泛認可。

第二，系統可操作性強。AP1000專設安全系統在設計上的簡化也為可操作性奠定了基礎，采用非能動的安全系統，操作人員只需根據系統所要求的標準執行，操作更加簡便易行，也因此操作人出現誤操作的概率大幅降低。另外從系統的運行維護來看，非能動安全系統不僅減少了設備部件，同時也使維修難度降低，其技術規范得到簡化，在系統運行過程中，相應的安全監督要求降低。可見，AP1000專設安全系統從設計上的轉變到實際運行，都較第二代核電站提高了靈活性以及改進實施維修的能力。

第三，事故預防能力提高。AP1000專設安全系統的優勢在于可以在無交流電源的環境下維持長期的事故緩解。對于極限設計基準事故，AP1000可通過安全殼內堆芯冷卻劑裝量以及堆芯的硼化實現至少一個月的維持，所以事故緩解能力大幅提高。同時AP1000還考慮到壓力容器失效問題，制定了相應的事故管理策略。另外AP1000將堆芯熔融物保存于壓力容器內，可以防止嚴重事故的發生，更有助于保持安全殼的完整。

第四，發電成本降低。隨著社會經濟的發展，生產生活領域的用電需求量顯著增長，核電站建設規模與日俱增。與此同時，發電站建設成本問題也受到廣泛關注。AP1000的非能動專設安全系統設計，使核電站的工藝布局得以簡化，工程施工量明顯縮減，工期縮短。傳統壓水堆所使用的泵、電纜、管道、閥門量大，AP1000的設計使這些設備部件的采購量減少，并且也為后續維修量的控制奠定了重要基礎。加之AP100使用現代的模塊化設計，施工速度快，工程造價更低。

4 結論

美國西屋公司設計的AP1000核電站采用非能動安全系統，與第二代核電站相比，從根本上實現了設計簡化，不再需要傳統的安全支持系統，而是通過自然力實現專設安全功能。因此，AP1000專設安全系統不僅具有較強的經濟優勢，更在降低造價的同時顯著提升了核電站運行的安全性，從而在第三代核電站中樹立起良好的競爭優勢。

參考文獻

[1]孔翔程，鄒志強，武鈴珺，等.地下核電站安全殼再循環系統設計的初步論證[J].核科學與工程，2017（2）：

287-292.

[2]孫海濤，李海龍，盛朝陽，等.三代壓水堆核電站核島主設備安全特征分析[J].核科學與工程，2015，35（3）：493-497.

[3]王國彪，晏桂珍，王洋.AP1000核電站鋼制安全殼涂層工藝改進[J].電鍍與精飾，2015，37（12）：18-22.endprint