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        AP1000和M310安全殼冷卻系統(tǒng)的對比與分析

        2015-04-23 09:22:47藺洪源
        科技視界 2015年11期
        關(guān)鍵詞:分配系統(tǒng)

        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)得以簡化,減少能動(dòng)設(shè)備的使用,降低了對安全系統(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對堆芯損傷概率和大量放射性釋放概率的分析對比如下:

        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?,并形成一層水膜。供水管線上三個(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,接著流入兩級冷卻水分配圍盒及分配槽。第一級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。第二級冷卻水分配圍堰位于穹頂?shù)诙拉h(huán)形焊縫的下方,對水流進(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??諝饬鞯腊V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內(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 對比與分析

        通過對上述內(nèi)容進(jìn)行對比分析,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)行壓力測量,也降低了對接口系統(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,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.

        [2]林誠格.非能動(dòng)安全先進(jìn)核電廠AP1000[M].北京:原子能出版社,2008:190-218.

        [3]顧軍.AP1000核電廠系統(tǒng)與設(shè)備[M].北京:原子能出版社,2010:146-154.

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