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(jié)構(gòu)的抗震安全性仍有很多關(guān)鍵問題亟待解決。介紹了核電廠隔震技術(shù)在國際上的發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)已應(yīng)用的核電隔震進(jìn)行了介紹和討論，并對(duì)未來核電隔震技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：核電廠；隔震技術(shù)；啟動(dòng)控制隔震裝置

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

1 引言

自20世紀(jì)50年代中期第一座商業(yè)核電站投產(chǎn)以來[1]，核電作為一種清潔、高效、優(yōu)質(zhì)的綠色能源用以替代煤、石油等高污染性傳統(tǒng)能源，為世界上各個(gè)國家所大力發(fā)展，但由于其核燃料高放射性，核電廠房一旦經(jīng)受地震災(zāi)害造成核泄露，則隨之帶來的生命傷亡、環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失將是難以估量的。2007年日本發(fā)生的新潟地震，其1號(hào)機(jī)組地下5層的地震儀記錄到的東西方向的加速度達(dá)到680gal，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了反應(yīng)堆重要設(shè)備273gal的設(shè)計(jì)值上限[2] ，2011年3月11日，發(fā)生了9.0級(jí)東日本大地震，造成福島縣等地毀滅性破壞，并引發(fā)福島第一核電站核泄漏。因此在核電廠的設(shè)計(jì)當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)考慮設(shè)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(fā)的巨大經(jīng)濟(jì)損失。

隨著核電結(jié)構(gòu)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(zhàn)，加上核島內(nèi)部管線等設(shè)備的限制，僅靠核島結(jié)構(gòu)本身已很難抵擋更高等級(jí)的地震，隔震技術(shù)為核電廠抗震減災(zāi)提供了新技術(shù)手段和研究方向，但現(xiàn)階段隔震技術(shù)在核電廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用較少，尤其在我國核電領(lǐng)域，基礎(chǔ)隔震技術(shù)在核電相關(guān)廠房中的應(yīng)用還處于空白階段。尋找一種合理的隔震方式，既是對(duì)核電廠建設(shè)安全性的考慮，也是對(duì)核電廠建設(shè)經(jīng)濟(jì)性的考慮。

2 核電隔震技術(shù)的研究及應(yīng)用

2.1 核電隔震技術(shù)的研究

隔震技術(shù)是通過在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間增設(shè)隔震層，延長上部結(jié)構(gòu)的自振周期來降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。隔震技術(shù)為提高核電結(jié)構(gòu)抗震性能提供了新技術(shù)手段和研究方向，國外也較早開展了核電隔震技術(shù)研究。日本自上個(gè)世紀(jì)80年代起進(jìn)行了核電隔震技術(shù)的理論和試驗(yàn)研究，水平向隔震能大幅減小核電水平向地震響應(yīng)，但豎直方向卻無減震效果。2007年日本電氣工業(yè)會(huì)發(fā)布著手開發(fā)次世代輕水反應(yīng)堆的聲明，次世代輕水反應(yīng)堆將同時(shí)擁有安全性與經(jīng)濟(jì)性的國際標(biāo)準(zhǔn)成套設(shè)備目標(biāo)為在2030年投入實(shí)際應(yīng)用，圖1和圖2為目前次世代輕水反應(yīng)堆的概念配置圖。

美國西屋電氣公司在上個(gè)世紀(jì)90年代，對(duì)其AP600核電反應(yīng)堆開展了水平隔震研究，這項(xiàng)研究主要是針對(duì)超出常規(guī)的SSE設(shè)計(jì)地震動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)0.2g開展的，目的是想進(jìn)一步使該反應(yīng)堆應(yīng)用于設(shè)計(jì)地震動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)SSE達(dá)到并超過0.3g的日本核電廠。

20世紀(jì)80年代初期，我國開始進(jìn)行基底隔震的研究，從早期的摩擦滑移隔震技術(shù)到疊層鉛芯橡膠支座隔震技術(shù)。近幾年，我國的專家學(xué)者開始進(jìn)行三維隔震橡膠支座的性能試驗(yàn)及三維隔震控制系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證研究，李忠誠[3]等進(jìn)行了將基底隔震技術(shù)應(yīng)用于核電廠相關(guān)的研究，從工程可行性和實(shí)施效果角度證明了在成熟、標(biāo)準(zhǔn)化堆型上應(yīng)用隔震技術(shù)是提高抗震能力的有效手段，也分析了在核電工程中大規(guī)模應(yīng)用隔震技術(shù)尚需要克服的若干現(xiàn)實(shí)問題，比如規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、隔震裝置的耐久性、經(jīng)濟(jì)性問題等；2014年王濤[4]等設(shè)計(jì)了一種三維隔震系統(tǒng)，包括厚層橡膠隔震支座和油阻尼器，并進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)，試驗(yàn)表明三維隔震系統(tǒng)在水平方向具備與傳統(tǒng)隔震系統(tǒng)相同的隔震性能，并且可以有效實(shí)現(xiàn)核電廠內(nèi)部設(shè)備及管道的豎向隔震；2015年魏陸順[5]設(shè)計(jì)了一種新型的帶搖擺裝置的三維隔震系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(jié)構(gòu)搖擺反應(yīng)并對(duì)其進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效降低上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。

2.2 核電隔震技術(shù)的應(yīng)用

迄今為止，在全世界所有已經(jīng)商業(yè)運(yùn)行的核電廠中，只有兩座使用了基底隔震技術(shù)，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(duì)核島結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)整體設(shè)置隔震橡膠支座，把原機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)抗震能力從0.2g提升至0.3g水準(zhǔn)。法國Cruas每個(gè)反應(yīng)堆隔震層包括1800個(gè)500×500×65mm氯丁橡膠隔震支座，其中第4號(hào)反應(yīng)堆已于2009年12月1日停止運(yùn)行。Koeberg核電廠兩個(gè)反應(yīng)堆體的隔震層包括了2000個(gè)尺寸為700×700×100mm氯丁橡膠滑移支座。此外，在法國的卡達(dá)拉其地區(qū)還有兩個(gè)正在建設(shè)的核電廠也使用了隔震技術(shù)，隔震層采用195個(gè)尺寸為900×900×181mm氯丁橡膠隔震支座。與此同時(shí)，日本、美國、意大利等國家還開發(fā)了高阻尼天然橡膠或人工橡膠的隔震墊以應(yīng)用于核電廠隔震。

2.3 核電隔震技術(shù)展望

根據(jù)核電設(shè)計(jì)基準(zhǔn)分為兩級(jí)，傳統(tǒng)核電廠隔震設(shè)計(jì)時(shí)不能滿足不同地震大小輸入時(shí)對(duì)核電結(jié)構(gòu)不同部位的保護(hù)要求，需根據(jù)核電廠不同結(jié)構(gòu)，設(shè)置保護(hù)性能要求；地震后有殘余變形，在小地震情況下隔震層會(huì)有一定的變形，會(huì)導(dǎo)致隔震層的管道發(fā)生過大的變形甚至破裂；在大震或特大地震作用下，傳統(tǒng)隔震的核電結(jié)構(gòu)位移過大，從而超出結(jié)構(gòu)位移限制要求；傳統(tǒng)的隔震系統(tǒng)發(fā)生破壞后存在更換難的問題。

為使隔震技術(shù)適用于各類核電廠反應(yīng)堆機(jī)組，我國上海核工院提出了閉鎖隔震體系，并承擔(dān)了國家重大科技專項(xiàng)項(xiàng)目[8]“AP1000系列國產(chǎn)化核電廠在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震下的設(shè)計(jì)研究”的研究。閉鎖核電隔震技術(shù)通過對(duì)核電結(jié)構(gòu)設(shè)置隔震支座和鎖緊閉鎖裝置，較好地結(jié)合了核電結(jié)構(gòu)自身抗震能力與隔震保護(hù)功能的特點(diǎn)。根據(jù)核電隔震設(shè)計(jì)要求，AP1000系列機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)抗震設(shè)計(jì)0.30g的能力予以翻倍成0.60g，同時(shí)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(jìn)入工作，這就要求閉鎖裝置有一定的強(qiáng)度來承受作用在結(jié)構(gòu)上的水平力。當(dāng)發(fā)生超設(shè)防水準(zhǔn)的強(qiáng)震時(shí)，閉鎖裝置承受的水平力超過設(shè)定的閉鎖閾值，閉鎖裝置解鎖，退出工作，隔震支座進(jìn)入工作，減小上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

為同樣實(shí)閉鎖隔震體系相同功能，項(xiàng)目組提出了一種啟動(dòng)控制隔震技術(shù)，該技術(shù)是在隔震系統(tǒng)中，增設(shè)啟動(dòng)控制裝置。啟動(dòng)控制裝置中預(yù)設(shè)啟動(dòng)荷載，當(dāng)?shù)卣鹆Τ^所預(yù)設(shè)啟動(dòng)荷載后，隔震層開始工作。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的隔震啟動(dòng)控制裝置如圖3所示，裝置承載部分采用滑動(dòng)導(dǎo)軌，恢復(fù)力采用鋼彈簧，并對(duì)鋼彈簧進(jìn)行預(yù)壓，該預(yù)壓荷載即為啟動(dòng)控制荷載，其理論本構(gòu)如圖4所示。裝置工作分兩段進(jìn)行，當(dāng)裝置受力小于預(yù)設(shè)啟動(dòng)荷載時(shí)，裝置提供較大水平剛度，并且該剛度可依據(jù)系統(tǒng)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，裝置僅發(fā)生較小變形；當(dāng)裝置受力大于預(yù)設(shè)啟動(dòng)荷載時(shí)，裝置提供較小水平剛度，結(jié)構(gòu)進(jìn)入隔震狀態(tài)。相對(duì)于普通隔震系統(tǒng)，啟動(dòng)控制隔震系統(tǒng)在地震力達(dá)到一定條件下才開啟工作，保障了反應(yīng)堆管線不會(huì)在設(shè)計(jì)開啟地震之前發(fā)生過大變形而破壞。

啟動(dòng)控制隔震系統(tǒng)具有同閉鎖裝置隔震系統(tǒng)相同的協(xié)調(diào)上部抗震性能和隔震保護(hù)功能作用，由于啟動(dòng)控制具有追隨隔震層變形能力，在隔震系統(tǒng)工作時(shí)其全程參與工作，不會(huì)發(fā)生破壞，系統(tǒng)中各啟動(dòng)控制裝置具有良好的協(xié)同工作能力；同時(shí)，由于啟動(dòng)控制在工作時(shí)不會(huì)破壞，也不存在更換問題。核電結(jié)構(gòu)啟動(dòng)控制隔震系統(tǒng)可確保在小于設(shè)計(jì)開啟條件地震作用下，核電隔震結(jié)構(gòu)與常規(guī)核電結(jié)構(gòu)基本相同，滿足設(shè)計(jì)使用要求；當(dāng)發(fā)生超設(shè)計(jì)開啟條件地震作用時(shí)，系統(tǒng)發(fā)揮隔震作用。在風(fēng)荷載作用下，通過對(duì)預(yù)設(shè)啟動(dòng)荷載的設(shè)計(jì)，可保障隔震層不會(huì)有較大的位移產(chǎn)生。

3 結(jié)論

地震的不確定性給核電廠的抗震安全帶來巨大的挑戰(zhàn)，加上核島內(nèi)部管線等設(shè)備的限制，隔震技術(shù)在核電廠抗震減災(zāi)領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，但還有很多關(guān)鍵問題亟待解決。閉鎖隔震體系和啟動(dòng)控制隔震體系能較好協(xié)調(diào)核電結(jié)構(gòu)自身的抗震性能與超大震作用下核電結(jié)構(gòu)安全的關(guān)系，為未來核電隔震技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展提供了技術(shù)手段。

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