鄭廣慧，趙新艷

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

核電廠主控室可居留系統(tǒng)的優(yōu)化

鄭廣慧，趙新艷

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

文章介紹了核電廠主控室可居留系統(tǒng)的優(yōu)化設計，闡述了以往核電廠主控室在可居留方面的設計缺陷，通過優(yōu)化改進，確保了主控室應急區(qū)域環(huán)境的條件滿足人員一定期限的駐留要求，保證主控人員順利采取事故干預措施，將事故損失及對環(huán)境的放射性污染降到最低。

核電廠；主控室；應急區(qū)域；可居留

核電廠主控室可居留系統(tǒng)是指在發(fā)生設計基準事故，甚至嚴重事故期間或之后，確保主控室應急區(qū)域環(huán)境條件滿足人員一定期限的駐留要求，以使主控人員采取事故干預措施，將事故損失及對環(huán)境的放射性污染降到最低。

HAD002/01《核動力廠營運單位的應急準備》第6章“應急設施和應急準備”，將主控室作為核電廠的應急設施之一；美國標準10 CFR 50將主控室可居留系統(tǒng)歸屬于專設安全系統(tǒng)。因此，可居留系統(tǒng)設計是體現(xiàn)核電廠安全的一項重要內容。

1 優(yōu)化設計背景

每個核電廠項目的建設都需要通過核安全部門的審核取證。根據美國標準10 CFR 50主控室可居留系統(tǒng)為核電廠專設安全設施，我國核安全局是以NRC NUREG-0800《標準審查大綱》第6章“專設安全設施”6.4節(jié)作為審查標準，對主控室可居留系統(tǒng)進行重點審查。

可居留設計還應執(zhí)行國家標準HAF102和HAD002/01的規(guī)定要求。HAF102《核動力廠設計安全規(guī)定》（2004年）第1.2.1規(guī)定，設計應提供預防或緩解可能導致大量放射性釋放的嚴重事故措施。HAD002/01《核動力廠營運單位的應急準備》第6章“應急設施和應急準備”，將主控室作為核電廠的應急設施之一，因此主控室的設計除提供應急物資儲備、人員防護物品的要求以外，還應滿足應急時可居留的要求。

根據國內外標準的要求，我國參考的核電廠設計中存在著一定的缺陷，需要按NRC NUREG-0800等要求開展優(yōu)化設計。

2 主要特點

作為核電廠專設安全系統(tǒng)，可居留系統(tǒng)包括以下主要特點：

（1）可居留系統(tǒng)設計原則

1）人員呼吸用新風供應系統(tǒng)；

2）主控室可居留區(qū)域內的正壓系統(tǒng)；

3）輻射防護；

4）構造維護系統(tǒng)；

5）構筑物能抵御自然或人為等外部設計基準事件：地震、龍卷風、洪水、小型飛機撞擊及外部飛射物等；

6）火災防御系統(tǒng)；

7）毒性或有毒氣體的防護屏障系統(tǒng)；

8）食物、水、醫(yī)藥等維持生存的最低保障系統(tǒng)。

（2）可居留系統(tǒng)功能實現(xiàn)的必要條件

1）應急照明

應急時應立即可用，照度不低于200 lx。

2）應急通訊

線路傳輸方式至少雙重，如微波、光纖等。

3）物質儲備

人員生存基本物資：水、食品、藥品等按每人7天量儲備。

4）防護物品

防護衣、防護眼鏡及直讀式個人劑量計、熱釋光劑量計、碘片、應急燈等防護物品的儲備。

3 優(yōu)化方案

3.1 參考電廠的固有缺陷

（1）主控室應急區(qū)域邊界不清晰

原主控室通風空調系統(tǒng)（DVC）除了為主控室應急區(qū)域（包括主控室、值長室、計算機室、廚房、衛(wèi)生間）提供通風空調功能外，還為儀控設備間、辦公室等不屬于應急設施的諸多房間服務。

（2）主控室通風空調系統(tǒng)存在火災共模失效缺陷

對于A、B系列主控室及相關儀控設備房間的通風空調，采用了共用設備及通風管網的設計，參考電廠主控室通風空調系統(tǒng)流程如圖1所示。因此當A或B系列某房間著火時，會由共用管道將某列房間的火災或煙霧引至另一列，導致A、B系列儀控設備或電纜同時不可用，嚴重時可導致A、B系列電源同時斷電，即發(fā)生失去廠內電源事故。

（3）空氣處理主設備無備用

空氣處理主設備如過濾器、冷卻器、加熱器、加濕器都只設一臺。當設備維修或更換時DVC系統(tǒng)必須停運。同時，這些設備位于主風機003ZV/004ZV的上游，在設備檢修及例行檢查時，人員因受到較強設備小室負壓氣流的影響，也通常不得不停運系統(tǒng)。這些都降低了系統(tǒng)運行的可靠性。

（4）空氣處理主設備為混凝土小室安裝

空氣處理主設備安裝在混凝土小室內，由于其存在龜裂、密封不嚴等原因導致系統(tǒng)泄漏量大，也不利于主控室噪聲的控制。

3.2 總體思路

根據上述弊端，主控室可居留系統(tǒng)（DVC）優(yōu)化及自主設計，必須在系統(tǒng)和結構空間許可范圍內，采取可行的方案。其總體思路如下：

（1）分析參考電廠與新標準不相適應的地方

圖1 參考電廠主控室通風空調系統(tǒng)流程圖Fig.1 HVAC system in the main control room of reference power plant

參考電廠的基準事故為設計基準事故，而根據HAF102《核動力廠設計安全規(guī)定》（2004年）第1.2.1規(guī)定，設計應提供預防或緩解可能導致大量放射性釋放的嚴重事故措施。標準的提高給設計帶來了更高的挑戰(zhàn)。

（2）H1、H3超設計基準事故

同樣因為參考電廠的設計標準較低，沒有考慮H1、H3事故工況時對核電廠的影響。H1事故工況為電廠喪失最終熱阱的事故；H3事故工況為廠內、外電源全部喪失的事故。這些事故導致可居留的主控室通風空調系統(tǒng)DVC冷源喪失，主控室及DCS儀控設備間的溫度會上升。對此類事故進行了熱工分析并給出了相應對策。

分析目的在于評價出DVC系統(tǒng)在H1/H3事故期間所維持的主控室人員居留的溫度狀況及1E級重要儀控設備在容許的溫度范圍內能否滿足一定的工作時長，使人員能夠在該時長內將反應堆退防到安全狀態(tài)。

3.3 技術方案

根據總體思路，開展的主要優(yōu)化措施如下：

（1）對于大量放射性物質釋放的嚴重事故

1）對主控室邊界嚴格密封

— 對于主控室墻體、地面和吊頂，其內外表面用低滲透性油漆/環(huán)氧樹脂密封劑進行噴涂；

— 用環(huán)氧樹脂密封膠對與混凝土接觸的貫穿件套管外表面進行密封處理；

— 對于管道貫穿件的內部孔洞，采用承壓性不低于墻體的鑒定合格材料填充；

— 對于電纜橋架貫穿件的內部孔洞，用承壓性鑒定合格且與電纜相兼容的材料填充；

— 門采用A2級防火的低泄漏密封條；

— 門上裝有自回力關閉裝置。

2）防外界污染空氣的滲透

為使人員呼吸新鮮空氣，滿足一定衛(wèi)生標準，HAF.J0055《核電廠控制室設計人因工程》規(guī)定，人員呼吸用新風量為0.43 m3/min·人；正壓按30 Pa計算，設計時將參考電廠的新風量提高了50%，由600 m3/h提高到900 m3/h，并加大主控室的送、回風比例為1.2∶1。

3）劑量監(jiān)測儀表升級為1E級

DVC系統(tǒng)由正常模式切換到事故應急運行模式的自動切換，依賴于KRT劑量監(jiān)測系統(tǒng)的兩個互為備用的儀表及控制管線，以便可靠、快速地執(zhí)行對DVC系統(tǒng)運行模式切換的核安全相關功能，避免將事故時外界污染空氣導入到主控室，將儀表升級為1E級是非常必要的。

4）以嚴重事故的S3源項進行可居留的事故評價

通過該評價找出影響評價結論的主要因素。當不滿足事故可居留的放射性劑量限值時，通過方案調整直至達到滿足為止。事故源項的選定評價過程如下：

可居留分析時不僅考慮設計基準事故，更考慮了嚴重事故。評估嚴重事故的可居留性時選用的是S3事故源項。源項是指各時段安全殼向環(huán)境的放射性物質釋放量，單位為Bq。核素的輸入順序為有機碘、元素碘、氣溶膠碘、其他氣溶膠、惰性氣體。

DVC事故取風口放射性濃度的計算，傳統(tǒng)的高斯煙羽模式在近距離情況下計算出的大氣彌散因子往往偏差較大，為此選用新尾流模式，即采用多元線性回歸方法。該方法綜合考慮了距離、建筑物、風速、大氣穩(wěn)定度等多種因素的影響。

S3源項的釋放時間持續(xù)12 h，但主控室內核素濃度降低需要較長的時間，因此這里評價的時間取24 h（計算表明24 h后的劑量貢獻可以忽略）。在此期間，主控室內人員的有效劑量為41 mSv，甲狀腺當量劑量為203 mSv，即主控室的有效劑量低于HAD002/01及GB18871規(guī)定的50 mSv劑量限值，滿足嚴重事故下的主控室可居留性要求。

（2）H1事故工況的應對措施

1）建立模型，由計算機程序評價出H1事故工況時，主控室及儀控設備間的溫度上升情況。

溫升計算原理及過程如下：

根據能量守恒原理，得出某時刻主控室熱平衡計算公式。

求解公式采用連續(xù)迭代的方法，計算結果得出主控室隨時間變化的實時溫度，由數據繪制出曲線。

計算結論為：H1事故工況時，且機組在夏季滿功率運行時，到達1E級儀控設備最高允許溫度（35 ℃）的最小時長為4.7 h，出現(xiàn)在3DVC2 L509房間；3DVC1為9.5 h，出現(xiàn)在L609房間。也就是說，在發(fā)生事故4.7 h內，主控室人員必須將反應堆停堆，并使之退防到安全狀態(tài)。否則1E級機柜在高溫環(huán)境下可能的運行不穩(wěn)定性導致功能的喪失。

2）H1事故工況應對措施

— 對冷源進行多樣化設計：增設一臺風冷冷凍機組，出于必要性和經濟性的考慮，風冷冷凍機組設計為非安全級，水管道與原有水冷機組的管道共用；

— 重要的1E級機柜間增設溫度測量信號：重要的1E級機柜間如3DVC系統(tǒng)在L507、L509、L709、L710房間增設溫濕度測量儀表，并在主控室設黃色、紅色報警。給主控人員一個預報，達到提前防范的目的。

（3）H3事故分析及應對

H3（廠內、廠外電源全部喪失）的事故影響分析過程如H1，不再計算DVC系統(tǒng)由通風機帶走的熱量；計算房間也只計算由蓄電池帶載或由LLS供電的涉及核安全的關鍵房間，應對措施是根據溫升狀況給出這些房間DCS設備總發(fā)熱量的限值，作為DCS供貨商的參考數據，從而保證這些由蓄電池帶載的DCS設備能夠正常工作，執(zhí)行其將反應堆帶到安全狀態(tài)的功能。

（4）對于參考電廠的固有缺陷

對于參考電廠固有缺陷，優(yōu)化后的主控室通風空調系統(tǒng)流程如圖2所示，對應措施如下：

— 在原有參考電廠的基礎上，重新明確主控室應急區(qū)域邊界；

— 將DVC系統(tǒng)按A、B系列拆分為DVC1、DVC2后，DVC1保留DVC系統(tǒng)的原功能，DVC2為完全獨立的新系統(tǒng)；在不改變參考電廠原有工藝管道、電氣或儀控機柜、電纜橋架等功能及布置的前提下，為DVC2新增空調設備機房、規(guī)劃管道布置；

— 將空氣處理的主設備分別由1臺改為2臺；

— 空氣處理主設備由混凝土獨自小室的布置改為組合式金屬箱體安裝。

（5）對于毒性氣體的防護

首先對核電廠的毒性氣體種類進行分析并計算其濃度或質量，包括氫氣、氮氣、二氧化碳、去氧劑等。通過對有害氣體評價得到的結論是，不足以影響到主控室人員的可居留，但出于縱深防御策略，在主控室仍配備自主呼吸裝置。具體做法是在主控室操作盤柜下面設置5個SAT（公用壓空系統(tǒng)）的快速接頭，需要時與自主呼吸裝置相接，以應對敵意破壞或超出設計考慮范疇的突發(fā)事件。

圖2 優(yōu)化設計后主控室通風空調系統(tǒng)流程圖Fig.2 The flow chart of HVAC system in the main control room after optimization

4 結論

本科研成果從確保主控室可居留的設計原則入手，體現(xiàn)了主控室人員呼吸新風供應、輻射防護、正壓保證、系統(tǒng)運行可靠性等全方位的創(chuàng)新技術及縱深防御策略的實施，并在應對超設計基準事故、嚴重事故的技術上有所突破，這使主控室在各種事故條件下的可居留性能力大大提升?？蒲谐晒壳耙殉晒Φ貞糜趪鴥纫呀ɑ蛟诮ǖ亩倪M型核電廠，以及ACP系列的三代核電機組，為新型安全的核電廠發(fā)展提供了技術保障。

[1] HAD002/01 核動力廠營運單位的應急準備[S].（HAD002/01 Emergency Preparedness for Nuclear Power Plant Operating Units[S].）

[2] HAF102 核動力廠設計安全規(guī)定[S].（HAF102 Safety of Nuclear Power Plants: Design[S].）

[3] 10 CFR 50 核電廠及核廢料處理廠質保要求[S].（10 CFR 50 QA Requirements for Nuclear Power Plants and Nuclear Waste Treatment Plants[S].）

[4] NRC NUREG-0800 標準審查大綱[S].（NRC NUREG-0800 Standard Review Program[S].）

Optimization of the Main Control Room Habitability System in Nuclear Power Plant

ZHENG Guang-hui，ZHAO Xin-yan
（China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Beijing 100840，China）

This article describes the optimization of main control room habitability system in nuclear power plant. It also describes the design shortage in terms of habitability in the main control room. Through modification and optimization, habitable conditions are met for personnel staying in the emergency area of the main control room for a period of time, with an aim to take accident intervention measures smoothly and reduce the accident loss and radioactive contamination as low as possible.

nuclear power plant；main control room；emergency area；habitability

TL37 Article character: A Article ID: 1674-1617(2013)04-0291-05

TL37

A

1674-1617(2013)04-0291-05

2013-08-22

鄭廣慧（1971—），女，北京人，高級工程師，學士，從事核電廠暖通空調的設計工作。