核電廠隔震技術的發展與應用

林霞娟 魏陸順 陳睦鋒 陶然 廖盛薪

摘 要：核電安全性尤其是核電結構的抗震安全性仍有很多關鍵問題亟待解決。介紹了核電廠隔震技術在國際上的發展趨勢，并對已應用的核電隔震進行了介紹和討論，并對未來核電隔震技術發展進行了討論。

關鍵詞：核電廠；隔震技術；啟動控制隔震裝置

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.143

1 引言

自20世紀50年代中期第一座商業核電站投產以來[1]，核電作為一種清潔、高效、優質的綠色能源用以替代煤、石油等高污染性傳統能源，為世界上各個國家所大力發展，但由于其核燃料高放射性，核電廠房一旦經受地震災害造成核泄露，則隨之帶來的生命傷亡、環境污染和經濟損失將是難以估量的。2007年日本發生的新潟地震，其1號機組地下5層的地震儀記錄到的東西方向的加速度達到680gal，遠遠超過了反應堆重要設備273gal的設計值上限[2] ，2011年3月11日，發生了9.0級東日本大地震，造成福島縣等地毀滅性破壞，并引發福島第一核電站核泄漏。因此在核電廠的設計當中，應當考慮設備和管道的抗震性能需求，提高核電廠的整體抗震性能，減少不必要的停堆操作，避免因停堆等操作引發的巨大經濟損失。

隨著核電結構抗震要求的提高以及地震的不確定性給核電廠的抗震安全帶來巨大的挑戰，加上核島內部管線等設備的限制，僅靠核島結構本身已很難抵擋更高等級的地震，隔震技術為核電廠抗震減災提供了新技術手段和研究方向，但現階段隔震技術在核電廠結構設計中應用較少，尤其在我國核電領域，基礎隔震技術在核電相關廠房中的應用還處于空白階段。尋找一種合理的隔震方式，既是對核電廠建設安全性的考慮，也是對核電廠建設經濟性的考慮。

2 核電隔震技術的研究及應用

2.1 核電隔震技術的研究

隔震技術是通過在基礎與上部結構之間增設隔震層，延長上部結構的自振周期來降低結構的地震響應。隔震技術為提高核電結構抗震性能提供了新技術手段和研究方向，國外也較早開展了核電隔震技術研究。日本自上個世紀80年代起進行了核電隔震技術的理論和試驗研究，水平向隔震能大幅減小核電水平向地震響應，但豎直方向卻無減震效果。2007年日本電氣工業會發布著手開發次世代輕水反應堆的聲明，次世代輕水反應堆將同時擁有安全性與經濟性的國際標準成套設備目標為在2030年投入實際應用，圖1和圖2為目前次世代輕水反應堆的概念配置圖。

美國西屋電氣公司在上個世紀90年代，對其AP600核電反應堆開展了水平隔震研究，這項研究主要是針對超出常規的SSE設計地震動標準0.2g開展的，目的是想進一步使該反應堆應用于設計地震動標準SSE達到并超過0.3g的日本核電廠。

20世紀80年代初期，我國開始進行基底隔震的研究，從早期的摩擦滑移隔震技術到疊層鉛芯橡膠支座隔震技術。近幾年，我國的專家學者開始進行三維隔震橡膠支座的性能試驗及三維隔震控制系統的試驗驗證研究，李忠誠[3]等進行了將基底隔震技術應用于核電廠相關的研究，從工程可行性和實施效果角度證明了在成熟、標準化堆型上應用隔震技術是提高抗震能力的有效手段，也分析了在核電工程中大規模應用隔震技術尚需要克服的若干現實問題，比如規范和標準、隔震裝置的耐久性、經濟性問題等；2014年王濤[4]等設計了一種三維隔震系統，包括厚層橡膠隔震支座和油阻尼器，并進行相關的試驗，試驗表明三維隔震系統在水平方向具備與傳統隔震系統相同的隔震性能，并且可以有效實現核電廠內部設備及管道的豎向隔震；2015年魏陸順[5]設計了一種新型的帶搖擺裝置的三維隔震系統，該系統包括了水平隔震層和豎向隔震層，抗搖擺裝置安裝在豎向隔震層中用于控制結構搖擺反應并對其進行了振動臺試驗驗證，試驗結果表明，該系統能有效降低上部結構地震響應。

2.2 核電隔震技術的應用

迄今為止，在全世界所有已經商業運行的核電廠中，只有兩座使用了基底隔震技術，這就是法國的Cruas核電廠（SSE為0.3g）和南非的Koeberg核電廠（SSE為0.3g）[6-7] ，其目的是通過對核島結構基礎整體設置隔震橡膠支座，把原機組標準抗震能力從0.2g提升至0.3g水準。法國Cruas每個反應堆隔震層包括1800個500×500×65mm氯丁橡膠隔震支座，其中第4號反應堆已于2009年12月1日停止運行。Koeberg核電廠兩個反應堆體的隔震層包括了2000個尺寸為700×700×100mm氯丁橡膠滑移支座。此外，在法國的卡達拉其地區還有兩個正在建設的核電廠也使用了隔震技術，隔震層采用195個尺寸為900×900×181mm氯丁橡膠隔震支座。與此同時，日本、美國、意大利等國家還開發了高阻尼天然橡膠或人工橡膠的隔震墊以應用于核電廠隔震。

2.3 核電隔震技術展望

根據核電設計基準分為兩級，傳統核電廠隔震設計時不能滿足不同地震大小輸入時對核電結構不同部位的保護要求，需根據核電廠不同結構，設置保護性能要求；地震后有殘余變形，在小地震情況下隔震層會有一定的變形，會導致隔震層的管道發生過大的變形甚至破裂；在大震或特大地震作用下，傳統隔震的核電結構位移過大，從而超出結構位移限制要求；傳統的隔震系統發生破壞后存在更換難的問題。

為使隔震技術適用于各類核電廠反應堆機組，我國上海核工院提出了閉鎖隔震體系，并承擔了國家重大科技專項項目[8]“AP1000系列國產化核電廠在超設計基準地震下的設計研究”的研究。閉鎖核電隔震技術通過對核電結構設置隔震支座和鎖緊閉鎖裝置，較好地結合了核電結構自身抗震能力與隔震保護功能的特點。根據核電隔震設計要求，AP1000系列機組標準抗震設計0.30g的能力予以翻倍成0.60g，同時要求隔震閉鎖裝置在0.25g峰值地震輸入下解鎖，小于0.25g地震作用下與其相連的隔震支座不進入工作，這就要求閉鎖裝置有一定的強度來承受作用在結構上的水平力。當發生超設防水準的強震時，閉鎖裝置承受的水平力超過設定的閉鎖閾值，閉鎖裝置解鎖，退出工作，隔震支座進入工作，減小上部結構的地震反應。

為同樣實閉鎖隔震體系相同功能，項目組提出了一種啟動控制隔震技術，該技術是在隔震系統中，增設啟動控制裝置。啟動控制裝置中預設啟動荷載，當地震力超過所預設啟動荷載后，隔震層開始工作。研究團隊設計的隔震啟動控制裝置如圖3所示，裝置承載部分采用滑動導軌，恢復力采用鋼彈簧，并對鋼彈簧進行預壓，該預壓荷載即為啟動控制荷載，其理論本構如圖4所示。裝置工作分兩段進行，當裝置受力小于預設啟動荷載時，裝置提供較大水平剛度，并且該剛度可依據系統需求進行設計，裝置僅發生較小變形；當裝置受力大于預設啟動荷載時，裝置提供較小水平剛度，結構進入隔震狀態。相對于普通隔震系統，啟動控制隔震系統在地震力達到一定條件下才開啟工作，保障了反應堆管線不會在設計開啟地震之前發生過大變形而破壞。

啟動控制隔震系統具有同閉鎖裝置隔震系統相同的協調上部抗震性能和隔震保護功能作用，由于啟動控制具有追隨隔震層變形能力，在隔震系統工作時其全程參與工作，不會發生破壞，系統中各啟動控制裝置具有良好的協同工作能力；同時，由于啟動控制在工作時不會破壞，也不存在更換問題。核電結構啟動控制隔震系統可確保在小于設計開啟條件地震作用下，核電隔震結構與常規核電結構基本相同，滿足設計使用要求；當發生超設計開啟條件地震作用時，系統發揮隔震作用。在風荷載作用下，通過對預設啟動荷載的設計，可保障隔震層不會有較大的位移產生。

3 結論

地震的不確定性給核電廠的抗震安全帶來巨大的挑戰，加上核島內部管線等設備的限制，隔震技術在核電廠抗震減災領域具有廣闊的發展前景，但還有很多關鍵問題亟待解決。閉鎖隔震體系和啟動控制隔震體系能較好協調核電結構自身的抗震性能與超大震作用下核電結構安全的關系，為未來核電隔震技術應用與發展提供了技術手段。

參考文獻：

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[3]李忠誠，張濤，李松奇.核電站應急指揮中心基底隔震技術方案[J].核科學與工程，2016，36（02）：218-222.

[4]王濤，王飛，侯鋼領，丁路通.核電廠隔震結構的振動臺試驗研究[J].工程力學，2014，31（10）：62-68+84.

[5]魏陸順，張永山，孔德睿，劉文光，何文福.核電結構三維隔震研究[J].華南地震，2015，35（01）：37-42.

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[7]Forni M.Seismic isolation of nuclear power plants[C].Proceedings of the“Italy in Japan 2011”Initiative Science，Technology and Innovation，2011.

[8]夏祖諷.核電廠的抗震設計輸入及AP1000核島隔震課題簡介[J].中國工程科學，2013，15（04）：52-56.