安全殼過濾排放系統(tǒng)容量確定

李麗娟，周 喆，丁 亮

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

對于新建核電廠，是否設(shè)置安全殼過濾排放系統(tǒng)，一直受到安全監(jiān)管部門關(guān)注，也是業(yè)主、設(shè)計單位等各方反復(fù)研討的問題。

國內(nèi)外的法規(guī)標準并沒有強制要求設(shè)置安全殼過濾排放系統(tǒng)。

在傳統(tǒng)二代改進型壓水堆核電廠，當發(fā)生嚴重事故，通過安全殼過濾排放系統(tǒng)主動卸壓使安全殼內(nèi)壓力不超過其承載限值，確保了安全殼的完整性。華龍一號采用雙層安全殼、設(shè)置有專設(shè)安全設(shè)施和完善的嚴重事故預(yù)防與緩解措施、具有充分的安全殼自由容積，那么華龍項目是否需要設(shè)置安全殼過濾排放系統(tǒng)以及如何確定系統(tǒng)容量，需要進行研究和分析。

1 安全殼過濾排放系統(tǒng)的功能

核電廠安全殼是防止放射性產(chǎn)物釋放到環(huán)境中的最后一道屏障。在發(fā)生嚴重事故時，安全殼內(nèi)的壓力不斷升高，最終可能會破壞安全殼的完整性，造成放射性物質(zhì)的外泄。

安全殼過濾排放系統(tǒng)通過主動卸壓使安全殼內(nèi)的大氣壓力不超過其承載限值，從而確保安全殼的完整性。并且，通過本系統(tǒng)中的過濾裝置對排放氣體中的放射性物質(zhì)進行過濾，以減少釋放到環(huán)境中的放射性物質(zhì)。

2 國內(nèi)各典型電站或堆型安全殼過濾排放系統(tǒng)的方案

國內(nèi)典型方案如表1所示。

表1 國內(nèi)各典型電廠或堆型安全殼過濾排放系統(tǒng)方案Table 1 Containment filtration and exhaust system options of domestic typical NPP or reactor

3 相關(guān)設(shè)計標準要求

安全殼系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)法規(guī)標準主要有：

（1）HAF 102《核動力廠設(shè)計安全規(guī)定》（2004版）；

（2）HAD102/06《核電廠反應(yīng)堆安全殼系統(tǒng)的設(shè)計》（1990版）；

（3）美國聯(lián)邦法規(guī)10CFR 50附錄A；

（4）美國NRC的標準審查大綱（SRP）；

（5）NS-G-1.10《核動力廠反應(yīng)堆安全殼系統(tǒng)的設(shè)計》；

（6）RCC-P《900 MW壓水堆核電站系統(tǒng)設(shè)計和建造規(guī)則》（1991第4版 + 1995修訂）。

IAEA安全導(dǎo)則NS-G-1.10《核動力廠反應(yīng)堆安全殼系統(tǒng)的設(shè)計》要求：對新電廠，排放系統(tǒng)不是必需的。如果分析表明現(xiàn)有電廠安全殼超壓風(fēng)險太大，應(yīng)考慮安裝過濾排放系統(tǒng)以防止安全殼不可恢復(fù)的損壞及放射性物質(zhì)不可控制的排放[1]。

HAD102規(guī)定：對于已有的核動力廠，如果概率安全分析表明安全殼超壓風(fēng)險太高，應(yīng)考慮安裝安全殼過濾排氣系統(tǒng)，以防止對安全殼的永久性損傷和放射性物質(zhì)失控釋放。對于新建核動力廠，能量控制系統(tǒng)應(yīng)作為抑制事故期間壓力載荷的主要手段，以滿足結(jié)構(gòu)完整性Ⅱ級驗收準則。對于新建核動力廠，排氣系統(tǒng)不應(yīng)該是必要的[2]。

相關(guān)標準沒有對嚴重事故時的降壓準則提出明確的、具體的要求，規(guī)定了設(shè)計基準事故安全殼壓力要求和驗收準則，例如：總體性要求、關(guān)于峰值壓力的要求、關(guān)于降壓速率的要求、長期降壓的要求等。在NUREG 0800—2007中6.2.1.1 A章的驗收準則中對安全殼降壓速率要求為：為滿足設(shè)計總則 38中要迅速降低安全殼壓力的要求，安全殼壓力應(yīng)當在假想事故后24 h內(nèi)降低到低于設(shè)計基準失水事故計算的最高壓力的50%。

4 方案研究

4.1 是否設(shè)置安全殼過濾排放系統(tǒng)

安全殼是防止裂變產(chǎn)物泄漏的第三道屏障，也是最后一道屏障。在核電廠發(fā)生超設(shè)計基準事故或嚴重事故過程中，會因各種原因產(chǎn)生高能氣體，釋放到安全殼空間，在安全殼冷卻系統(tǒng)失效的情況下，會導(dǎo)致安全殼內(nèi)大氣升溫升壓，這會危及安全殼的完整性。設(shè)置安全殼過濾排放系統(tǒng)（CFE）是為了消除或緩解這種威脅。

EPR/VVER/AP1000分別通過設(shè)置熔融物滯留池、堆芯捕集器、壓力容器包容熔融物的手段，以及增加安全殼自由容積等方法，使得安全殼不需過濾排放即可包容事故后質(zhì)能釋放引起的壓力升高。

“華龍一號”設(shè)置有安注系統(tǒng)、安噴系統(tǒng)等專設(shè)安全設(shè)施和完善的嚴重事故預(yù)防與緩解措施，例如安全殼消氫系統(tǒng)、堆腔注水冷卻系統(tǒng)、非能動安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)、穩(wěn)壓器快速卸壓系統(tǒng)、增大安全殼自由容積、對安全殼進行完整的極限承載能力分析等措施。

在LOCA工況下，安注系統(tǒng)為堆芯提供應(yīng)急冷卻以防止燃料包殼融化并保證堆芯的幾何形狀和完整性。堆腔注水冷卻系統(tǒng)在嚴重事故工況下，導(dǎo)出堆芯熔融物的熱量，通過冷卻壓力容器下封頭帶走堆芯熱量，確保壓力容器不被熔穿。穩(wěn)壓器快速卸壓系統(tǒng)用來降低高壓堆融的風(fēng)險。

在LOCA或安全殼內(nèi)主蒸汽管道破裂時，安噴運行可將安全殼內(nèi)溫度和壓力保持在可接受的范圍內(nèi)。非能動安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)用于超設(shè)計基準事故工況下安全殼的長期排熱，將安全殼壓力和溫度降低至可接受的水平。

安全殼消氫系統(tǒng)通過自動復(fù)合減少安全殼內(nèi)的氫氣、氧氣和一氧化碳氣體。

所以，對于“華龍一號”安全殼的早期失效，可以通過安噴、安注等措施來避免；長期失效可通過堆腔注水冷卻系統(tǒng)、非能動安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)等來避免。

考慮“華龍一號”的多重和完善的系統(tǒng)設(shè)置，以及更優(yōu)化的安全殼結(jié)構(gòu)設(shè)計，研究“華龍一號”是否需要設(shè)置安全殼過濾排放系統(tǒng)（CFE）。

首先進行了事故分析計算。計算時適當考慮利用非能動安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)（PCS）緩解安全殼超壓事故。PCS由3個相互獨立的非能動系列組成。從圖1中可以看到PCS 2列有效時，壓力大約能維持在0.4 MPa；而PCS只有1列有效時，壓力會緩慢升高至0.6 MPa左右。

圖1 1列PCS有效和2列PCS有效時安全殼壓力變化Fig.1 Containment pressure variation with 1 PCS valid and 2 PCS valid

從圖1中可以看到，PCS喪失1列時，安全殼內(nèi)壓力不會超過安全殼設(shè)計壓力，但是PCS 3列全部失效或2列失效時，安全殼內(nèi)壓力將會超過安全殼設(shè)計壓力。

是否需要設(shè)置安全殼過濾排放系統(tǒng)，還需要進行安全殼超壓失效概率分析。根據(jù)“華龍一號”內(nèi)部事件二級PSA分析，導(dǎo)致大量放射性釋放的頻率（LRF）為 1.91 × 10-8/堆·年，過濾排放失效情況下安全殼晚期超壓釋放的風(fēng)險為1.98 × 10-11/堆·年（占大量釋放的總風(fēng)險的 0.1%），安全殼過濾排放有效但壓力容器失效所造成的大量釋放的風(fēng)險為 4.91 × 10-10/堆·年（占大量釋放的總風(fēng)險的2.57%）。對于“華龍一號”核電廠，如果取消安全殼過濾排放系統(tǒng)后，總的安全殼晚期超壓大量放射性釋放風(fēng)險為7.63 × 10-9/堆·年，相比有該系統(tǒng)時增加了 7.12 × 10-9/堆·年。

根據(jù)以上分析，確定設(shè)置安全殼過濾排放系統(tǒng)。

4.2 安全殼過濾排放系統(tǒng)方案

常用的安全殼過濾方式有干式和濕式兩種（見表2）。

表2 安全殼過濾方式Table 2 Containment filtration approach

濕式過濾在 M310機組已廣泛應(yīng)用，并較干式過濾的效果有明顯提高。

國內(nèi)M310機組主要使用的是AREVA的產(chǎn)品，包括文丘里水洗器和金屬纖維過濾器。文丘里水洗器是臥式圓筒形壓力容器，容器內(nèi)裝有一組文丘里噴管，并且容器內(nèi)裝有重量濃度為 0.5%的 NaOH和 0.2%的 Na2S2O3的化學(xué)溶液。試驗證明，文丘里水洗器對氣溶膠的過濾效率大于 99%，對碘分子的過濾效率大于99.5%，對有機碘的過濾效率為80%。金屬纖維過濾器也是臥式圓筒形壓力容器。容器內(nèi)的金屬纖維過濾器由具有液滴分離作用的預(yù)過濾層和精細過濾層兩部分組成。它們主要用于過濾文丘里水洗器未能滯留的微小粒徑氣溶膠，以及一些由于化學(xué)溶液表面氣泡破裂而產(chǎn)生的極小粒徑的氣溶膠；特別是對于粒徑小于 1微米的氣溶膠，金屬纖維過濾器具有很高的滯留效率。文丘里水洗器和金屬纖維過濾器構(gòu)成了對排放氣體的兩級過濾。通過這兩級過濾，最終的過濾效果可以達到如下數(shù)值：

（1）對氣溶膠的過濾效率大于99.9%；

（2）對碘分子的過濾效率大于99.5%；

（3）對有機碘的過濾效率為80%。

通過干式和濕式過濾方案的比選，結(jié)合方案的成熟度，安全殼過濾排放系統(tǒng)選擇采用濕式過濾排放方案。

5 安全殼過濾排放系統(tǒng)容量確定

5.1 安全殼過濾排放系統(tǒng)容量分析

系統(tǒng)容量是確定工藝系統(tǒng)的首要參數(shù)，用于確定系統(tǒng)規(guī)格、設(shè)備選型等。為了確定合理的系統(tǒng)容量，進行了全面、詳細的分析計算。

（1） PCS不可用

1）保證嚴重事故下 CFE系統(tǒng)能夠在開啟后24 h內(nèi)將安全殼內(nèi)的壓力降到0.26 MPa以下（見表3、表4）。

表3 充水工況，CFE打開時安全殼大氣條件Table 3 Water filling condition, atmospheric condition of containment when CFE is opened

表4 非充水工況，CFE打開時安全殼大氣條件Table 4 Non-water filling condition, atmospheric condition of containment when CFE is opened

在此計算假設(shè)下，充水工況比較保守，系統(tǒng)排量為9.7 kg/s（0.52 MPa）。

2） 不需保證嚴重事故下CFE系統(tǒng)能夠在開啟后24 h內(nèi)將安全殼內(nèi)的壓力降到設(shè)計壓力一半以下，只考慮事故后24 h開啟，排放12 h關(guān)閉至再次開啟，排量為4 kg/s（0.52 MPa）。

從圖2可知，從第1次開啟（24 h）至第1次關(guān)閉（36 h）大約排放了 12 h，再打開時間為49.4 h，間隔13.6 h。

圖2 PCS失效時CFE運行12 h的壓力變化Fig.2 Containment pressure variation during CFE 12 h operation with PCS invalid

由此結(jié)果可以看到，用4 kg/s（0.52 MPa）的排量排放，在排放12 h左右，此時可能出現(xiàn)水洗容器的低液位報警，需要將CFE系統(tǒng)關(guān)閉充水，此時壓力雖然未降至安全殼設(shè)計壓力的一半，但已降至設(shè)計壓力 90%以下。并且需要再次開啟的時間間隔約14 h左右，足以完成補水操作。

3）事故后24 h開啟（0.583 MPa），安全殼內(nèi)壓力降至設(shè)計壓力一半（0.31 MPa）關(guān)閉（見表 5）。

表5 PCS不可用時不同設(shè)計流量下的CFE運行情況（關(guān)閉壓力0.31 MPa）Table 5 CFE operation under different design flows when PCS is not available (shutdown pressure 0.31 MPa)

可以看到，只有第 1行的排量能夠使安全殼壓力在24 h之內(nèi)降至設(shè)計壓力一半。

（2） 1列PCS可用

1）事故后24 h開啟（0.583 MPa），安全殼內(nèi)壓力降至設(shè)計壓力一半（0.31 MPa）關(guān)閉（見表 6）。

表6 1列PCS可用不同設(shè)計流量下CFE運行情況Table 6 CFE operation under different design flows with 1 column of PCS available

可以看到，只有最后1行的排量能夠使安全殼壓力在24 h之內(nèi)降至設(shè)計壓力一半（0.31 MPa）。

2）不需保證嚴重事故下 CFE系統(tǒng)能夠在開啟后24 h內(nèi)將安全殼內(nèi)的壓力降到設(shè)計壓力一半以下，只考慮事故后24 h開啟，排放12 h關(guān)閉至再次開啟。用4 kg/s（0.52 MPa）的排量排放。

從圖3可知，從第1次開啟（24 h）至第1次關(guān)閉（36.7 h）大約排放了12 h，再打開時間為 77.2 h（考慮 72 h時失去 PCS冷卻），間隔約30 h。在排放12 h左右，此時可能出現(xiàn)水洗容器的低液位報警，需要將CFE系統(tǒng)關(guān)閉充水，此時壓力 0.39 MPa，雖然未降至安全殼設(shè)計壓力的一半（0.31 MPa），但已降至設(shè)計壓力90%以下。并且需要再次開啟的時間間隔 30 h，足以完成補水操作。

圖3 1列PCS可用時CFE運行12 h的壓力變化Fig.3 Containment pressure variation during CFE 12 h operation with 1 PCS valid

經(jīng)計算，9.7 kg/s（0.52 MPa）的排量排放時最大衰變熱功率是 135.44 kW；4 kg/s（0.52 MPa）的排量排放時最大衰變熱功率是98 kW。

5.2 安全殼過濾排放系統(tǒng)容量分析

從 5.1節(jié)的計算結(jié)果看到，如果遵循設(shè)計基準事故降壓速率的要求，PCS一列可用時排量至少為 5.27 kg/s，PCS完全不可用時排量至少需要7.2 kg/s。

不管是 PCS一列可用還是 PCS完全不可用，用4 kg/s（0.52 MPa）的排量排放，在排放12 h左右時，可能出現(xiàn)水洗容器的低液位報警，需要將CFE系統(tǒng)關(guān)閉充水，此時壓力雖然未降至安全殼設(shè)計壓力的一半（0.31 MPa），但已降至設(shè)計壓力 90%以下。并且需要再次開啟的時間間隔足以完成補水操作。

嚴重事故后降壓速率，在相關(guān)法規(guī)標準中沒有明確的要求，所以，綜合壓力控制能力，確定安全殼過濾排放系統(tǒng)的排量為 4 kg/s（0.52 MPa）。對應(yīng)的最大衰變熱功率按100 kW設(shè)計。

6 結(jié)論

本文通過對安全殼過濾排放系統(tǒng)功能、方案、法規(guī)標準要求的研究，進行了安全殼超壓風(fēng)險的確定論和概率論分析，確定了設(shè)置安全殼過濾排放系統(tǒng)的必要性。

系統(tǒng)容量是工藝系統(tǒng)設(shè)計的首要參數(shù)。本文進行了全面、詳細的分析計算，包括PCS完全不可用以及1列PCS可用、不同氣體排量等多種假設(shè)和工況，綜合考慮安全殼壓力控制能力，確定了安全殼過濾排放系統(tǒng)的排量為4 kg/s（0.52 MPa），對應(yīng)的最大衰變熱功率為100 kW。

本文的研究為安全殼過濾排放系統(tǒng)設(shè)計、采購、自主研發(fā)等提供了基礎(chǔ)和輸入條件。