沈松

摘 要：由地震海嘯引發(fā)核電站喪失外部電源是福島核事故的直接原因，最終導(dǎo)致了反應(yīng)堆熱量無(wú)法導(dǎo)出，堆芯損毀。本文介紹了第三代核技術(shù)AP1000中運(yùn)用的非外部電力的動(dòng)力源，這些動(dòng)力源在設(shè)計(jì)上保證了AP1000在喪失外部電源的情況下，仍能完成安全目標(biāo)，確保反應(yīng)堆安全可控。

關(guān)鍵詞：AP1000；福島核事故；動(dòng)力源；自然循環(huán)；重力；蓄電池直流電源；閥門驅(qū)動(dòng)力

1 前言

2011年3月11日在日本宮城縣東方外海發(fā)生了9.0級(jí)地震，緊接引起的海嘯，襲擊了日本福島第一核電廠，對(duì)福島核電站造成了一系列設(shè)備損壞、堆芯融毀、放射性釋放等災(zāi)害事件，為1986年切爾諾貝利核電廠事故以來(lái)最嚴(yán)重的核子事故。

當(dāng)大地震發(fā)生時(shí)，福島核電站因保護(hù)動(dòng)作自動(dòng)停堆，廠內(nèi)發(fā)電功能立即停止。正常情況下，電廠可以利用廠外電源驅(qū)動(dòng)冷卻和控制系統(tǒng)，但地震對(duì)電力網(wǎng)造成了大規(guī)模破壞，廠外電源喪失，因此只好依靠廠區(qū)內(nèi)的緊急柴油發(fā)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)。但是接踵而至的15米大海嘯越過(guò)了廠區(qū)5.7米海堤，淹沒(méi)了地勢(shì)較低的柴油發(fā)電機(jī)組，供給反應(yīng)堆的交流電源宣告失效，冷卻系統(tǒng)因此停止工作，反應(yīng)堆開(kāi)始過(guò)熱，釀成悲劇。

從福島核事故我們可以看出，喪失一切交流電源是導(dǎo)致反應(yīng)堆損毀的直接原因。作為第三代核技術(shù)AP1000最先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念就是采用非能動(dòng)，在不需要交流電的情況下導(dǎo)出反應(yīng)堆熱量，確保堆芯安全、完整。接下來(lái)我將著重講解AP1000喪失一切交流電源時(shí)，為保證完成相關(guān)的安全功能，使反應(yīng)堆處于安全可靠的狀態(tài)所使用的各種動(dòng)力源。

2 AP1000應(yīng)對(duì)福島核事故的措施

假設(shè)發(fā)生了類似福島核電站喪失交流電源的事故，AP1000機(jī)組首先因地震或失電觸發(fā)安全停堆，4臺(tái)主泵失電后在惰轉(zhuǎn)飛輪的作用下惰轉(zhuǎn)，增加強(qiáng)迫循環(huán)時(shí)間，帶走堆芯更多的熱量。接著非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)（PRHR）投入運(yùn)行，依靠冷卻劑的自然循環(huán)，將堆芯中的熱量傳遞給安全殼內(nèi)換料水箱（IRWST），實(shí)現(xiàn)一回路降溫。ADS 1、2、3級(jí)閥門在直流電源的驅(qū)動(dòng)下依次打開(kāi)，將一回路冷卻劑排入IRWST，實(shí)現(xiàn)一回路降壓。IRWST中的水受熱蒸發(fā)，水蒸氣遇到鋼制安全殼內(nèi)表面凝結(jié)后流回IRWST中，水蒸氣的熱量通過(guò)安全殼外表面流過(guò)的空氣帶走。若僅依靠空氣無(wú)法帶走全部熱量，導(dǎo)致安全殼內(nèi)壓力升高，將觸發(fā)位于安全殼頂部的非能動(dòng)安全殼冷卻水儲(chǔ)存箱（PCCWST），水箱中的水依靠重力沿安全殼外表面向下流動(dòng)，在外壁形成水膜，水膜蒸發(fā)將熱量排到大氣中，作為反應(yīng)堆的最終熱阱，從而達(dá)到降低安全殼內(nèi)部溫度壓力，導(dǎo)出堆芯熱量的目的。

3第三代核技術(shù)AP1000中運(yùn)用的非交流電動(dòng)力源

AP1000應(yīng)對(duì)福島核事故的措施中，所有安全系統(tǒng)的運(yùn)行都不需要依靠交流電源，下面將簡(jiǎn)介措施應(yīng)對(duì)過(guò)程中所使用的其他動(dòng)力源。

3.1自然循環(huán)

AP1000最重要的設(shè)計(jì)特點(diǎn)就是無(wú)需電源的非能動(dòng)自然循環(huán)。

自然循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力是水的密度差，建立的條件有四點(diǎn)：連貫的流道，溫度差，高度差，足以克服的摩擦阻力。冷源出口水的密度比熱源出口的大，加上高度差帶來(lái)的位能差，使冷源出口水向下流動(dòng)，熱源出口水向上流動(dòng)，形成自然循環(huán)。

福島核事故最大的挑戰(zhàn)是喪失交流電導(dǎo)致熱量無(wú)法導(dǎo)出，最終造成堆芯裸露、損毀。AP1000的非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)（PRHR）設(shè)計(jì)為僅依靠冷卻劑的自然循環(huán)，無(wú)需交流電源即可實(shí)現(xiàn)堆芯熱量的導(dǎo)出，確保堆芯冷卻、安全。

當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，保護(hù)信號(hào)觸發(fā)PRHR熱交換器（PRHR HX）出口氣動(dòng)閥（不依靠交流電作為驅(qū)動(dòng)力）打開(kāi)，在PRHR熱交換器與堆芯之間形成連貫的流道。PRHR熱交換器放置在安全殼內(nèi)換料水箱（IRWST）中，IRWST的溫度低，作為冷源，與堆芯形成溫度差，同時(shí)IRWST的位置高于堆芯，形成高度差，所以一回路冷卻劑在密度差的作用下，在PRHR熱交換器和反應(yīng)堆堆芯之間形成自然循環(huán)，將堆芯的熱量帶出，傳遞給IRWST中的冷水，使其蒸發(fā)，并最終通過(guò)鋼制安全殼將熱量導(dǎo)出至環(huán)境大氣中。

3.2重力

簡(jiǎn)單的說(shuō)就是水依靠自身重力，在不需要交流電源的情況下，通過(guò)打開(kāi)水箱的出口閥（可通過(guò)蓄電池直流或氣動(dòng)/彈簧作為驅(qū)動(dòng)力），到達(dá)預(yù)定地點(diǎn)，完成預(yù)定功能。

比如位于安全殼頂部的非能動(dòng)安全殼冷卻水儲(chǔ)存箱（PCCWST）就是通過(guò)水的重力完成核安全功能。當(dāng)安全殼內(nèi)壓力超過(guò)一定值時(shí)，表明安全殼內(nèi)產(chǎn)生了大量蒸汽，聚集的大量熱量無(wú)法通過(guò)空氣的自然對(duì)流進(jìn)行冷卻。信號(hào)觸發(fā)PCCWST保護(hù)動(dòng)作，打開(kāi)水箱出口閥門（蓄電池直流供電），水通過(guò)重力直接流至安全殼表面形成水膜進(jìn)行冷卻，最終將安全殼內(nèi)的熱量導(dǎo)出，排至大氣中。

3.3蓄電池直流電源

面對(duì)福島核事故這樣喪失一切交流電的緊急情況，不需要外界支持的蓄電池直流電將發(fā)揮重要的動(dòng)力源作用。AP1000的設(shè)計(jì)中對(duì)蓄電池直流電源分成兩部分，即安全相關(guān)的1E級(jí)直流和UPS系統(tǒng)（IDS）和非安全相關(guān)的非1E級(jí)直流及UPS系統(tǒng)（EDS）。

IDS向安全停堆的儀表、控制、監(jiān)測(cè)和其它關(guān)鍵功能所需要的設(shè)備提供可靠的電源。此外，作為非安全相關(guān)功能，IDS通過(guò)非1E級(jí)電廠照明系統(tǒng)（ELS），給主控室（MCR）和遠(yuǎn)程停堆工作站（RSW）提供正常和應(yīng)急照明電源。

比如PCCWST出口閥就是由IDS直流電提供的動(dòng)力，從而保證喪失交流電時(shí)，該出口閥仍能可靠打開(kāi)，完成PCCWST的安全功能。

EDS為電廠非1E級(jí)直流和交流負(fù)荷提供直流電和不間斷交流電源，對(duì)提供電廠運(yùn)行和投資保護(hù)起關(guān)鍵作用，同時(shí)為安全殼內(nèi)氫氣點(diǎn)火器提供電源。另外，還有第三個(gè)子系統(tǒng)，EDS-5用于提供大電機(jī)直流電源，包括應(yīng)急潤(rùn)滑油泵和應(yīng)急密封油泵。

3.4閥門驅(qū)動(dòng)力

AP1000電站中閥門類型很多，有氣動(dòng)閥、電動(dòng)閥、電磁閥、爆破閥等。這樣設(shè)置的目的是為了增加多樣性，避免因相同故障導(dǎo)致全部閥門失效，增加機(jī)組的安全性。面對(duì)喪失交流電，AP1000安全相關(guān)閥門的驅(qū)動(dòng)方案也是多樣的。

比如氣動(dòng)閥門，正常情況下，氣動(dòng)閥門內(nèi)充入壓縮空氣，用以壓縮或拉伸閥門內(nèi)的彈簧使閥門處于所需位置。當(dāng)失去交流電時(shí)，壓縮空氣喪失泄壓，閥門在彈簧力的作用下變成我們所希望的安全開(kāi)關(guān)狀態(tài)，完成其安全相關(guān)功能。PRHR HX熱交換器出口氣動(dòng)閥就是這樣的閥門。

因此即使失去外部電源，通過(guò)閥門自身的多樣性驅(qū)動(dòng)力，操縱員仍能將這些安全相關(guān)的閥門置于安全位置，保證安全功能順利實(shí)現(xiàn)。

4總結(jié)

通過(guò)以上的分析簡(jiǎn)介，AP1000在喪失交流電源的初始72小時(shí)內(nèi)，不依靠外界動(dòng)力源，可以實(shí)現(xiàn)電站設(shè)計(jì)的安全功能，保證反應(yīng)堆冷卻，防止堆芯裸露，放射性物質(zhì)釋放。AP1000核電站的非能動(dòng)設(shè)計(jì)增強(qiáng)了核電站的安全水平，提高了抵抗自然災(zāi)難、各類事故的能力。面對(duì)福島核事故，AP1000核電站是有能力應(yīng)對(duì)，并保證電站安全的，同時(shí)通過(guò)福島核事故的例子也告訴我們，地震、海嘯等事故僅僅是個(gè)開(kāi)始，因核燃料的特殊性，后續(xù)還需要一系列的措施應(yīng)對(duì)極端的自然災(zāi)害。 首要做好緊急電源的保護(hù)，盡快恢復(fù)廠外交流電源和柴油發(fā)電機(jī)，保證電力供應(yīng)。72小時(shí)后要做好冷卻水源的保護(hù)和恢復(fù)，確保機(jī)組有足夠的水源持續(xù)冷卻反應(yīng)堆。

參考文獻(xiàn)：

[1]ILO-SYS-PXS-PP-CH Rev 0

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