武鈴珺 張 航 張 明 鄒志強(qiáng) 向清安

（中國核動力研究設(shè)計院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點(diǎn)實驗室，四川 成都 610213）

0 引言

核電站嚴(yán)重事故是指事故發(fā)生后因安全系統(tǒng)多重故障和/或人員誤動作/動作失敗， 引起的嚴(yán)重性超過設(shè)計基準(zhǔn)事故，造成核電站反應(yīng)堆堆芯熔化，放射性可能突破多層或所有屏障，最終釋放到大氣環(huán)境中的事故工況。

核電站已發(fā)生的震驚世界的切爾諾貝利、三哩島及福島嚴(yán)重事故，展示了核電站發(fā)生嚴(yán)重事故的可能性及其后果的極端危害性，同時也一次次地推進(jìn)著核電站嚴(yán)重事故防護(hù)措施的發(fā)展。 核電站具備完善的嚴(yán)重事故預(yù)防與緩解能力，已成為世界各國核安全當(dāng)局及業(yè)主的共同要求。

中國核動力研究設(shè)計院和長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院共同完成了600 MWe 級地下核電站（CUP600）的概念設(shè)計。 地下核電站為全新設(shè)計的三代核電機(jī)組，在設(shè)計過程中結(jié)合以往工程經(jīng)驗，參考國際、國內(nèi)關(guān)于嚴(yán)重事故的研究成果，在嚴(yán)重事故預(yù)防和緩解方面進(jìn)行了全面、深入的考慮，且由于地下洞室?guī)r體防護(hù)作用等的加持，嚴(yán)重事故應(yīng)對較地面三代核電站具有獨(dú)特的優(yōu)勢，使得堆芯損傷頻率（CDF）和大量放射性釋放頻率（LRF）指標(biāo)滿足并且遠(yuǎn)高于國家法規(guī)要求。

1 嚴(yán)重事故防護(hù)

嚴(yán)重事故的應(yīng)對就是對放射性物質(zhì)的防護(hù)。 為阻止放射性物質(zhì)向外擴(kuò)散，地下核電站設(shè)計建立了四道實體屏障：燃料元件包殼、一回路壓力邊界、反應(yīng)堆安全殼以及地下洞室?guī)r體。 其中，第四道屏障是地下核電站區(qū)別于地面核電站的特殊存在，是多一重的放射性防護(hù)保障。

嚴(yán)重事故對策按照四道屏障依次退防的縱深防御理念開展，針對每一道屏障完整性防護(hù)設(shè)置相應(yīng)的措施，如圖1 所示。

圖1 地下核電站放射性防護(hù)示意圖

1.1 燃料元件包殼完整性防護(hù)

縱深防御防止放射性釋放的第一道屏障是燃料元件包殼，為了防止其完整性喪失，需要避免堆芯損壞，即防止堆芯熔化，第一道屏障的防護(hù)對應(yīng)于嚴(yán)重事故的預(yù)防。

為防止堆芯熔化事故的發(fā)生，核電站將一系列假想的事故作為設(shè)計基準(zhǔn)，根據(jù)事故的發(fā)生和發(fā)展有針對性地設(shè)置安全系統(tǒng)，并配置相應(yīng)的處置規(guī)程，保證：（1）高質(zhì)量地設(shè)計、施工和運(yùn)行，最小化偏離正常運(yùn)行狀態(tài)的情況發(fā)生；（2）設(shè)置停堆保護(hù)系統(tǒng)和相應(yīng)的支持系統(tǒng)，及時停堆，防止運(yùn)行中出現(xiàn)的偏差發(fā)展成為事故；（3）設(shè)置專設(shè)安全設(shè)施，限制設(shè)計基準(zhǔn)事故的后果，防止發(fā)生堆芯熔化。 特別的，與地面核電站相比，地下核電站在防護(hù)燃料元件包殼完整性方面獨(dú)特的設(shè)置有（見圖2）：

圖2 預(yù)防堆芯損壞的主要措施示意圖

（1）相較于地面核電站，地下核電站將核島建筑全部置于巖體中，對于外部事件引起的事故有很好的防護(hù)作用：

（a）洞室?guī)r體對飛行物或墜落物的撞擊等提供了天然的保護(hù)，相對于地面核電站安全殼又多一重保護(hù)。

（b）洞室?guī)r體的密封性使核電站受強(qiáng)風(fēng)、雨雪等極端氣候災(zāi)害的影響小，相對于地面核電站安全殼的防護(hù)有所加強(qiáng)。

（c）有研究表明，地下的地震烈度小于地面，因此，地下核電站受地震等地質(zhì)災(zāi)害的影響較地面核電站小。 在相同的抗震裕度設(shè)計要求下，地下核電站能夠承受更高的地震等級。

外部事件防護(hù)能力的提升，使誘發(fā)嚴(yán)重事故始發(fā)事件的發(fā)生概率降低，堆芯熔化事故概率降低。

（2）地下核電站采用水電聯(lián)動設(shè)計，當(dāng)水電與核電聯(lián)合運(yùn)行時，水電核電可以互為備用電源。

（a）喪失外電源事故是核電站中需要重點(diǎn)考慮的事件之一，其防護(hù)的難度和設(shè)計考慮的重點(diǎn)是外電網(wǎng)的恢復(fù)時間。 相較于地面核電站，由于水電的存在，地下核電站能夠在喪失外電源的情況下迅速恢復(fù)外電源的供給，降低喪失外電源發(fā)生的概率。

（b）如果外電源不能在短時間內(nèi)恢復(fù)，三代核電站設(shè)計有應(yīng)急發(fā)電機(jī)，SBO 發(fā)電機(jī)以及附加應(yīng)急發(fā)電機(jī)用于電源供應(yīng)。 相較于地面核電站，由于水電的存在，地下核電站額外又多一重應(yīng)急電源保障，即使在核電站自身應(yīng)急電源全部喪失的情況下，也可通過水電為能動安全設(shè)施提供電源，使專設(shè)安全系統(tǒng)喪失以及全廠斷電事故的發(fā)生概率降低。

（c）借鑒福島事故經(jīng)驗，需考慮核電廠長期喪失全部熱阱的工況，引入移動電源和移動水源進(jìn)行安全防護(hù)。 相較于地面核電站，由于水電的存在，地下核電站可在移動電源能力不足時快速引入外部應(yīng)急電源，持續(xù)為移動設(shè)備供電，降低移動設(shè)備喪失的概率。

（3）對于應(yīng)急水源的考慮，地下核電站能夠選擇在地面合適的高程 （標(biāo)高比核電站反應(yīng)堆廠房洞室高的位置，可達(dá)180 m 以上）設(shè)置高位水池，利用高程差實現(xiàn)非能動供水，確保核電站正常及事故工況下的用水。

（a）利用厚實的巖層開挖的高位水池容量可以足夠大。 甚至利用水電聯(lián)動的優(yōu)勢形成高位水庫，設(shè)置高位水庫實現(xiàn)向高位水池的非能動供水， 高位水庫的高程高于高位水池。 高位水庫和高位水池的存在使得水源水容量極大地滿足核電站事故后長期排熱的要求，這一點(diǎn)可以解決內(nèi)陸核電站冷源熱阱不足的困局。

（b）高位水池實現(xiàn)的非能動注入，其重力壓頭可達(dá)1.8 MPa 以上， 相較于三代地面核電站現(xiàn)有設(shè)計的非能動注入水源壓頭（在0.1～0.6 MPa 范圍）有很大提高，使非能動水源更早、更容易、更快速地注入需求部位。 在此條件下，地下核電站所設(shè)計的非能動系統(tǒng)具有較地面核電站更好的性能，例如，非能動余熱排出系統(tǒng)，在事故中起效時間更早，且自然循環(huán)更為順暢，確保堆芯完整。

（c）高位水池的高壓頭，使事故工況下應(yīng)急注水對系統(tǒng)壓力要求降低，相較于地面核電站減輕了卸壓閥設(shè)計負(fù)擔(dān)。

1.2 一回路壓力邊界完整性防護(hù)

縱深防御防止放射性釋放的第二道屏障是“一回路壓力邊界”，在堆芯損壞無法避免的事故中，采取一切可行手段將熔融物滯留于一回路壓力邊界內(nèi)，使其向大氣釋放的放射性降低到可控范圍，是實現(xiàn)“從設(shè)計上實際消除大量放射性物質(zhì)釋放的可能性”的重要一步。

堆芯損壞的事故處置是嚴(yán)重事故緩解范疇，其處置原則和防止堆芯損壞有很大區(qū)別，要求盡量利用一切可利用的資源，必要時，可以利用一些不屬于專設(shè)安全設(shè)施的系統(tǒng)與設(shè)備。 同時為了提升自身應(yīng)對嚴(yán)重事故的能力，保持一回路壓力邊界的完整性，地下核電站設(shè)計中考慮了嚴(yán)重事故專有措施（見圖3）。

圖3 一回路完整性防護(hù)措施示意圖

（1）設(shè)置快速卸壓系統(tǒng)，保證嚴(yán)重事故下反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力降低到防止高壓熔融物噴射的程度，實現(xiàn)應(yīng)急注入需求的低壓狀態(tài)。

（2）設(shè)置堆腔注水系統(tǒng)，在堆芯熔融物掉落到壓力容器下封頭時， 通過壓力容器壁面熱量的傳導(dǎo)，排放堆芯熱量，從而控制堆芯熔化進(jìn)程，維持壓力容器完整性。

堆腔注水系統(tǒng)分為能動和非能動兩個子系統(tǒng)。 如1.1 節(jié)分析，地下核電站在應(yīng)急電源的優(yōu)勢，使堆腔注水系統(tǒng)能動子系統(tǒng)在嚴(yán)重事故處置中較地面核電站具有更高的可靠性。 高位水源也使堆腔注水系統(tǒng)非能動子系統(tǒng)在嚴(yán)重事故處置中較地面核電站具有更短的響應(yīng)時間和更充足的水源。 從而地下核電站堆腔注水系統(tǒng)具有高于地面核電站的可靠性，使壓力容器完整性喪失的可能性極低。

1.3 安全殼完整性防護(hù)

縱深防御防止放射性釋放的第三道屏障是安全殼，在一回路完整性被突破的事故中，采取一切可行手段將熔融物滯留于安全殼內(nèi)， 降低放射性物質(zhì)釋放，是實現(xiàn)“從設(shè)計上實際消除大量放射性物質(zhì)釋放的可能性”的關(guān)鍵一步。

安全殼完整性的防護(hù)是嚴(yán)重事故緩解措施的重要體現(xiàn)，是地下核電站控制放射性釋放非常重要的一環(huán)，地下核電站設(shè)計中對此進(jìn)行了全面的考慮（見圖4）。

圖4 安全殼完整性防護(hù)措施示意圖

（1）氫氣風(fēng)險是福島事故經(jīng)驗中嚴(yán)重事故應(yīng)對關(guān)注的又一個重點(diǎn)， 地下核電站設(shè)置安全殼消氫系統(tǒng)，通過合理化設(shè)計，在安全殼內(nèi)布置多臺完全獨(dú)立的非能動催化氫復(fù)合器。 消氫系統(tǒng)是相對獨(dú)立，與其他系統(tǒng)沒有接口，不需要控制信號、電源、氣源等。 相較于地面核電站，地下核電站氫氣風(fēng)險控制還可以通過向洞室排放稀釋濃度的方法實現(xiàn)。

（2）地下核電站設(shè)置非能動安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)，用于在事故工況下安全殼的長期排熱。 系統(tǒng)設(shè)計采用非能動設(shè)計理念，依靠上升段和下降段密度差驅(qū)動形成的自然循環(huán)流動排出安全殼內(nèi)熱量，高位水池高達(dá)1.8 MPa 的非能動注入驅(qū)動力， 能夠形成很大的自然循環(huán)驅(qū)動壓頭，更利于自然循環(huán)流動和換熱，且相對于地面核電站高位水池具有更大的儲水能力，使安全殼排熱得到更持久的保障。

（3）地下核電站設(shè)置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，確保安全殼的完整性，并通過過濾裝置對排放氣體中的放射性物質(zhì)進(jìn)行過濾。

相較于地面核電站的直接排放（受到外部應(yīng)急部署等諸多限制而不能輕易啟動）， 地下核電站的安全殼過濾排放系統(tǒng)動作是將放射性物質(zhì)包容在下一屏障“洞室”中，使洞室承受一部分原應(yīng)由安全殼承載的壓力負(fù)荷，排放系統(tǒng)的動作時機(jī)更加靈活，系統(tǒng)動作后對環(huán)境的危害大大降低甚至可忽略，在安全殼完整性的保持上發(fā)揮更為有效的作用，是其區(qū)別于地面核電站的顯著優(yōu)勢之一。

另外， 依據(jù)福島事故經(jīng)驗應(yīng)關(guān)注安全殼內(nèi)乏燃料的防護(hù)，地下核電站針對乏燃料池冷卻，增加非能動冷卻系統(tǒng)及補(bǔ)水，利用高位水池儲水和位差優(yōu)勢降低乏燃料損壞的風(fēng)險，也間接降低了安全殼失效的風(fēng)險。

1.4 地下洞室?guī)r體防護(hù)

地下核電站安全殼外洞室?guī)r體外圍的天然地質(zhì)條件（土壤、巖石等）形成了縱深防御防止放射性釋放的第四道天然的屏障。 這是地下核電站區(qū)別于地面核電站的顯著優(yōu)勢，是實現(xiàn)“從設(shè)計上實際消除大量放射性物質(zhì)釋放的可能性”的重要保障，也是地下核電站取消場外應(yīng)急的關(guān)鍵所在。

洞室不僅僅依靠于自身巖體的包容作用，設(shè)計中也有針對性的考慮了對放射性的處置措施（見圖5）。

圖5 洞室防護(hù)示意圖

（1）洞室?guī)r體將對多種途徑溢出安全殼的放射性物質(zhì)進(jìn)行包容。

在地下核電站的設(shè)計中針對洞室的密封性、 土壤和巖體對放射性物質(zhì)的包容性， 以及洞室承壓能力等都做了大量的分析， 確保放射性物質(zhì)進(jìn)入洞室后能夠依靠其自身的包容能力，避免放射性物質(zhì)向環(huán)境泄漏。

（a）安全殼是地面核電站放射性防護(hù)的最后一道屏障，而地下核電站布置在洞室?guī)r體中，又多了一道屏障，使放射性裂變產(chǎn)物到大氣中要經(jīng)歷更長的傳輸路徑，最終使更多的物質(zhì)得到衰變和沉降，大大降低放射性危害。

（b）核電站放射性泄漏的一種模式是由于與一回路連通的管道（如化容系統(tǒng)、安注系統(tǒng)等）破裂，而破口位于安全殼外且不可隔離。 地面核電站此種工況放射性釋放不可避免，但對于地下核電站此類管道均設(shè)置在洞室內(nèi)，放射性不會向大氣環(huán)境直接釋放。

（c）對于蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故工況造成的“安全殼旁通”這一地面核電站普遍存在的“一回路屏障被突破后造成放射性物質(zhì)直接釋放到環(huán)境中”的安全隱患，在地下核電站中由于洞室的設(shè)計而避免。

（2）地下核電站洞室對于放射性物質(zhì)的防護(hù)不僅僅是包容，而是針對性地設(shè)置了防護(hù)措施：

（a）洞室內(nèi)設(shè)置一定的過濾排放裝置，當(dāng)嚴(yán)重事故中不可避免地需向洞室內(nèi)排放放射性氣體時，可以通過固定式或移動式的過濾設(shè)備對這些進(jìn)行處理，達(dá)到最終終止或減少放射性向環(huán)境的釋放的目的。

（b）結(jié)合地下核電站的特點(diǎn)，設(shè)計中特別考慮反應(yīng)堆洞室水力彌散防護(hù)，通過在巖體中設(shè)置灌漿隔水帷幕及排水幕等措施，對在嚴(yán)重事故工況下可能產(chǎn)生的泄漏于安全殼外的、或廢液貯存罐（池）二次泄漏的放射性廢液進(jìn)行再次攔截、收集與處理，充分發(fā)揮巖體的天然屏障作用，減少大規(guī)模放射性物質(zhì)擴(kuò)散的可能性。

（3）洞室存在的另一個意義是封固埋葬，這相對于地面核電站具有明顯的優(yōu)勢。

（a）如堆芯熔化進(jìn)程不能終止，地下核電站能夠通過天然的地質(zhì)巖體將放射性物質(zhì)和核電站整體封存，對環(huán)境的影響相對較小，這一點(diǎn)在地面核電站上很難實現(xiàn)。

（b）安全殼外洞室的剩余空間約50 000 m3，相對于安全殼內(nèi)的有限空間（約15 000 m3），對于熱量有更大的包容能力，同時周圍大量的巖體將會吸收從安全殼內(nèi)排放出的熱量，即使嚴(yán)重事故后持續(xù)向洞室排放熱量，洞室仍能長期維持其自身完整性。

（c）當(dāng)安全殼完整性喪失，大量的氫氣進(jìn)入洞室內(nèi)，較大洞室空間將使氫氣濃度顯著降低，氫氣燃爆風(fēng)險降低。

2 結(jié)語

地下核電站在嚴(yán)重事故防護(hù)方面相對于地面核電站具有獨(dú)特的優(yōu)勢，能更好地對放射性物質(zhì)進(jìn)行包容和處置。

地下核電站在嚴(yán)重事故預(yù)防方面：巖體防護(hù)使由外部事件引發(fā)的不可控嚴(yán)重事故發(fā)生概率較地面核電站低。 在水電聯(lián)動的運(yùn)行模式下，電源供給可靠性較地面核電站高出很多。 高位水源使非能動系統(tǒng)運(yùn)行能力和持續(xù)時間較地面核電站顯著提升。

地下核電站在嚴(yán)重事故緩解方面：嚴(yán)重事故對策多方位設(shè)計：快速卸壓系統(tǒng)、堆腔注水系統(tǒng)、非能動安全殼排熱、安全殼過濾排放等。 洞室?guī)r體形成較地面核電站多一重的放射性物質(zhì)包容屏障。 在洞室對放射性物質(zhì)包容、處置、封閉的加持下地下核電站放射性物質(zhì)包容能力較地面核電站更為顯著。

地下核電站通過合理選址及嚴(yán)重事故對策的有針對性設(shè)計，可實現(xiàn)“從設(shè)計上實際消除大量放射性釋放”。