第五章_安全殼和安全殼系統(tǒng)2015

1、第五章 安全殼和安全殼系統(tǒng) 非能動安全系統(tǒng)非能動安全系統(tǒng) 非能動安全注射系統(tǒng)非能動安全注射系統(tǒng) 非能動主控制室應(yīng)急可居留系統(tǒng) 非能動安全殼冷卻系統(tǒng)非能動安全殼冷卻系統(tǒng) 安全殼氫氣控制系統(tǒng)安全殼氫氣控制系統(tǒng) 非能動余熱排出系統(tǒng)非能動余熱排出系統(tǒng) AP1000非能動安全系統(tǒng)非能動安全系統(tǒng) 5.1 安全殼 傳統(tǒng)安全殼 作用：將一回路系統(tǒng)中帶放射性物質(zhì)的 主要設(shè)備包容在一起，以防止放射性物 質(zhì)向外擴(kuò)散；即使在最嚴(yán)重事故時，放 射性物質(zhì)仍能全部被封閉在內(nèi)而不影響 周圍環(huán)境。 結(jié)構(gòu)： 內(nèi)徑約40 m ，壁厚約1 m ，高約 6570 m 的圓柱狀或球形預(yù)應(yīng)力混凝土 大型建筑物。 秦山一期大亞灣 田灣福建寧

2、德 6 AP1000的設(shè)計采用了雙層安全殼結(jié) 構(gòu)，內(nèi)層是由獨(dú)立的圓柱形鋼殼以 及橢圓形的封頭組成，外層是抗I級 地震的混凝土結(jié)構(gòu)，起到輻射屏蔽 的作用。 作為安全熱阱，將事故產(chǎn)生的熱量 傳遞到周圍的環(huán)境。 是非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的組成部 分。 5.1 安全殼 5.1 安全殼 鋼制安全殼容器Steel Containment Vessel) 由五個主 要結(jié)構(gòu)模塊組裝建造而成。 直徑：39. 624 m 高度: 65. 634 m 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn):ASME III , 材料:SA738 ， B 級 設(shè)計壓力:0. 407 MPa ，表壓 設(shè)計溫度:148. 89 C 設(shè)計外壓: 0. 20 bar ，壓

3、差 18 AP1000的安全殼系統(tǒng)主要包括： 非能動安全殼冷卻系統(tǒng) 安全殼隔離系統(tǒng) 安全殼氫氣控制系統(tǒng) 安全殼系統(tǒng)安全殼系統(tǒng) 19 非能動安全殼冷卻系統(tǒng)(Passive Containment Cooling System , PCS) 由 一臺與安全殼屏蔽構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)合為一 體的儲水箱、從水箱經(jīng)由水量分配裝 置將水輸送至安全殼殼體的管道，以 及相關(guān)的儀表、管道和閥門構(gòu)成 5.2 非能動安全殼冷卻系統(tǒng) 非能動安全殼冷卻包括兩過程：非能動安全殼冷卻包括兩過程： 安全殼內(nèi)的蒸汽由安全殼安全殼內(nèi)的蒸汽由安全殼 的內(nèi)壁面冷卻，凝水流回安的內(nèi)壁面冷卻，凝水流回安 全殼底部，實現(xiàn)反應(yīng)堆的再全殼底部，實現(xiàn)反應(yīng)

4、堆的再 循環(huán)冷卻；循環(huán)冷卻； 安全殼的外壁面由安全殼安全殼的外壁面由安全殼 冷卻水箱的分配裝置在安全冷卻水箱的分配裝置在安全 殼穹頂和圓柱筒體形成均勻殼穹頂和圓柱筒體形成均勻 水膜水膜 ，以及自然對流的空，以及自然對流的空 氣冷卻安全殼，反應(yīng)堆余熱氣冷卻安全殼，反應(yīng)堆余熱 最終經(jīng)安全殼屏蔽廠房的空最終經(jīng)安全殼屏蔽廠房的空 氣出口排入大氣。氣出口排入大氣。 在事故后的在事故后的7272小時內(nèi)，系小時內(nèi)，系 統(tǒng)的運(yùn)行不需要任何干預(yù)，統(tǒng)的運(yùn)行不需要任何干預(yù)， 運(yùn)行人員不必調(diào)節(jié)冷卻水流運(yùn)行人員不必調(diào)節(jié)冷卻水流 量，也不必補(bǔ)水。量，也不必補(bǔ)水。 21 1）PCS為反應(yīng)堆提供了最終熱阱最終熱阱。 非能動的

5、安全殼冷卻系統(tǒng)在發(fā)生冷卻劑失流事故(LOCA)和蒸汽 管道破裂(MSLB)事故的情況下導(dǎo)出安全殼內(nèi)的熱量，同時它 還為其他導(dǎo)致安全殼壓力和溫度大幅升高的設(shè)計基準(zhǔn)事故提 供安全相關(guān)的最終熱阱最終熱阱。 計算機(jī)分析和大量的試驗已經(jīng)證明，PCS可在事故發(fā)生后對安 全殼進(jìn)行有效的冷卻從而保證安全殼不超壓并迅速降壓。鋼 制安全殼的傳熱表面可將內(nèi)部的熱量帶到外面大氣中去。這 種傳熱過程通過持續(xù)不斷的自然空氣對流來得以實現(xiàn)。在事 故持續(xù)期間，安全殼內(nèi)的空氣冷卻還可通過水的蒸發(fā)來得以 強(qiáng)化。水從安全殼頂部的水箱流出。 5.2非能動安全殼冷卻系統(tǒng) 功能功能 22 2）減少裂變產(chǎn)物的釋放）減少裂變產(chǎn)物的釋放降壓。

6、 西屋公司的研究表明，AP1000一次堆芯 熔化事故導(dǎo)致的放射性釋放的可能性 是極低的。分析表明僅有了常規(guī)的PCS 空氣冷卻，安全殼就能完好地處于預(yù) 設(shè)的失效壓力之下。其它的一些因素 還包括改進(jìn)安全殼的隔離及降低安全 殼外的LOCA。這些安全殼性能的改進(jìn) 為廠外應(yīng)急對策的簡化提供了技術(shù)上 的依據(jù)。 23 3）在假想的設(shè)計基準(zhǔn)事故情況假想的設(shè)計基準(zhǔn)事故情況下降低安全殼內(nèi)的溫度和壓力。 4）乏燃料池及消防水的儲存與供應(yīng)）乏燃料池及消防水的儲存與供應(yīng)：非能動安全殼冷卻系統(tǒng) 在乏燃料池長時間失去常規(guī)冷卻的事故情況下對其提供補(bǔ)水 冷卻。 26 27 系統(tǒng)組件描述 非能動安全殼非能動安全殼冷卻儲水箱冷卻儲

7、水箱 非能動安全殼冷卻儲水箱的隔離閥 非能動安全殼冷卻輔助儲水箱 流量控制孔板 分水斗 分水堰 導(dǎo)流板氣體流道 化學(xué)補(bǔ)給箱 循環(huán)泵 再循環(huán)加熱器 28 系統(tǒng)組件描述 非能動安全殼非能動安全殼冷卻儲水箱冷卻儲水箱 安裝在安全殼上方,水箱內(nèi)壁由不銹鋼 構(gòu)成； 水箱容積在滿足功能需求的情況下盡可 能最小 存儲的水是去離子水； 水箱的設(shè)計考慮了地震和堆芯熔融裂變 碎片噴射沖擊的影響 該系統(tǒng)設(shè)計了多個測量和報警通道用于 監(jiān)測水箱內(nèi)的水位和溫度，并有一個回 路用于水箱內(nèi)的化學(xué)和溫度控制； 提供了足夠的熱慣性和絕熱性，使系統(tǒng) 運(yùn)行不需要加熱器 除了提供熱移除功能外，該系統(tǒng)還作為 乏燃料水池和因地震停堆后防火

8、水池的 補(bǔ)充水源 29 非能動安全殼冷卻儲水箱的隔離閥 共有三組互相隔離的閥門，起到冗余設(shè)計 的目的 閥門的驅(qū)動方式有空氣驅(qū)動和電動驅(qū)動， 起到多樣性設(shè)計的目的； 閥門、泄流管道以及相關(guān)的儀器安裝在閥 門溫度控制室(temperature-controlled valve room)內(nèi)以防止凍結(jié)，該控制室的溫度保持 在10C以上 30 分水斗分水斗 奧氏體不銹鋼制成的分水斗奧氏體不銹鋼制成的分水斗( Water Distribution Bucket)用來將用來將 水分配到安全殼穹頂?shù)耐獗砻嫠峙涞桨踩珰ゑ讽數(shù)耐獗砻妗?兩條多重的輸水管線和來自輔助水源的管線向分水斗排水。分 水斗的側(cè)壁均勻地開

9、有16 個分水口，將水均勻地分成16 股。 分水口的尺寸設(shè)計使來自水箱的疏水流量最大，同時在最小疏 水流量下提供足夠均等的水流。分水斗懸掛在屏蔽構(gòu)筑物屋頂 并恰好懸在安全殼穹頂之上，因此由壓力和/或溫度的變化而 引起的穹頂形狀的局部改變不會影響分水斗的分水效果。 31 分水堰分水堰 奧氏體不銹鋼制造的堰式分水裝置( Water Distribution Weir System)在非能動安全殼冷卻系統(tǒng)運(yùn)行時用來優(yōu)化安全殼殼體的 灑濕面。水由分水斗以大約均等的水流灑向安全殼穹頂正中位 置。每股水流落入16 個徑向扇面之一，這些扇面由焊在安全殼 穹頂上的小的垂直分隔板構(gòu)成。這些分隔板自分水斗并沿穹頂

10、 外表面徑向延伸到第一道分水堪。分隔板確保從16 個分水斗口 流出的水處于安全殼穹頂相應(yīng)的1/16 扇區(qū)中。這種設(shè)計可避免 由于安全殼表面的坡度變化或穹頂正中相對平坦位置的焊縫導(dǎo) 致水量分配不均。 32 分水堰分水堰 在第一道穹頂環(huán)焊縫下方的 第一道分水堪處，每個1/16 扇面中的水被一個收集板集 中后流入分流盒(Distribution Box) 。分流盒將水導(dǎo)入堰堰槽 (Weir Trough) ，之后堰堰槽將 水分流成等間距、等量的水 流，返回到安全殼表面。 33 非能動安全殼冷卻水輔助水箱 布置在輔助廠房附近，圓柱形鋼罐 存儲的是去離子水，容積大于非能動安全殼冷卻儲水箱和乏燃料水池所需

11、備 份水的要求 滿足2級地震建筑物的要求 具有抗5級颶風(fēng)的能力 同樣也有監(jiān)測和報警通道，以保持水箱內(nèi)的水位和溫度，通過一個回路控制 水箱內(nèi)水的化學(xué)性 絕熱設(shè)計可以是該系統(tǒng)在7天內(nèi)不用加熱器仍然保持足夠的熱慣性以防止冰凍。 傳輸管保持干燥以防止結(jié)凍。 內(nèi)設(shè)加熱器 34 其他設(shè)備 l 化學(xué)添加箱 小型、立式圓柱箱體，用來投入過氧化氫溶液(及 或其他除藻劑)以防 止儲水箱和輔助水箱中藻類滋生 l 再循環(huán)泵 一臺泵運(yùn)行時可將水箱中的水裝量每周循環(huán)一次 l 再循環(huán)加熱器 防止水凍結(jié) l 氣體流道空氣導(dǎo)流板 為安全殼外層提供一條氣流通道，以指引氣體流動并冷卻安全殼。 2021-7-12 5.3 安全殼隔離

12、系統(tǒng) 比起常規(guī)PWR，AP1000安全殼隔離有著重大改 進(jìn)。改進(jìn)之一是大量減少安全殼的貫穿件數(shù)量大量減少安全殼的貫穿件數(shù)量。 僅開啟式貫穿件就有60%被減去。再也沒有事 故后減緩功能的貫穿件（屏蔽密封式反應(yīng)堆冷 卻劑主泵無需注入高壓密封流體，而非能動余 熱去除和非能動注射系統(tǒng)都整體地布置在安全 殼內(nèi)）。 2021-7-12 對比說明 與傳統(tǒng)的電廠相比，通過采用非能動安全系統(tǒng)使安全性、經(jīng)濟(jì) 性都大為提高。非能動安全系統(tǒng)確保堆芯冷卻與安全殼的完整 性萬無一失。非能動安全系統(tǒng)滿足單一故障準(zhǔn)則，且用概率風(fēng) 險評價來驗證其可靠性。 與典型的PWR安全系統(tǒng)相比非能動安全系統(tǒng)要簡化得多，非能 動安全系統(tǒng)的設(shè)

13、備很少，也就減少了試驗、檢查維護(hù)工作量， 也無需能動支持系統(tǒng)。非能動安全系統(tǒng)設(shè)備隨時處于可用狀態(tài)。 與傳統(tǒng)的能動安全系統(tǒng)相比，非能動安全系統(tǒng)只需三分之一的 遠(yuǎn)操閥門，不需要任何泵。 2021-7-12 對比說明 非能動安全系統(tǒng)不需要如典型核電廠那樣采用龐大的能動安全 支持系統(tǒng)。這種簡化適用于應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組及其配電、壓縮 空氣起動裝置、油箱、輸油泵、進(jìn)/排氣系統(tǒng)。故此，這些設(shè)備 不是必須為安全等級或者干脆就不設(shè)計。如重要廠用水系統(tǒng)及 相關(guān)的冷卻塔就可變成非安全級的廠用冷卻系統(tǒng)。在AP1000電 廠內(nèi)非安全級支持系統(tǒng)與非能動安全系統(tǒng)在設(shè)計時被系統(tǒng)地加 以優(yōu)化。這樣的設(shè)計在大大簡化電廠設(shè)計的同時又

14、完全滿足安 全準(zhǔn)則。 2021-7-12 5.4 氫氣控制系統(tǒng) 安全殼氫氣控制系統(tǒng)(Hydrogen Control System) 的功能是限制反應(yīng)堆安全殼大氣中 的氫濃度，從而在發(fā)生堆芯損傷的假想事 故后，不會威脅安全殼的完整性。 P R TS TS P R l氫氣主要來源:鋯水反應(yīng) Zr+2H2OZrO2+2H2 Zr+2H2OZrO2+2H2微觀機(jī)理 Zr+H2OZrOH+H最低能量路徑示意圖ZrOH+HZrO+H2最低能量路徑示意圖 ZrO+H2OZrOOH+H最低能量路徑示意圖 ZrOOH+H ZrO2+H2最低能量路徑示意圖 2021-7-12 3 臺氫濃度監(jiān)測儀 2 臺非能動自

15、動催化復(fù)合器(Passive Autocatalytic Recombiners , PARs) 64 臺氫點火器(Hydrogen Igniters) 系統(tǒng)組成 水蒸氣釋放流量對水蒸氣釋放流量對安全殼內(nèi)氫氣濃度分布及風(fēng)險安全殼內(nèi)氫氣濃度分布及風(fēng)險的影響的影響 a 水蒸氣流量為0kg/s b 水蒸氣流量為2kg/s c 水蒸氣流量為4kg/s d 水蒸氣流量為6kg/s 2021-7-12 5.5 安全殼泄漏率試驗系統(tǒng) 功能 安全殼泄漏率試驗系統(tǒng)包括充壓設(shè)備、測量儀表、管道和閥門。 它能用于安全殼及貫穿安全殼的電氣貫穿件、管道貫穿件、燃料 運(yùn)輸通道、閘門及備用貫穿件的泄漏試驗，以驗證整個安全殼

16、及 單個貫穿件的泄漏量在技術(shù)規(guī)范的允許限值之內(nèi)。 安全殼泄漏率試驗系統(tǒng)不執(zhí)行安全相關(guān)的功能。在電廠正常運(yùn) 行期間，安全殼泄漏率試驗系統(tǒng)的功能是為單個安全殼貫穿件、 隔離屏障以及整體安全殼的泄漏率試驗提供試驗、測量及記錄的 手段。 2021-7-12 5.5 安全殼泄漏率試驗系統(tǒng) 供氣組件設(shè)備簡述 空氣壓縮機(jī) 后置空氣冷卻器/汽水分離器 壓縮空氣過濾器 空氣干燥器 2021-7-12 5.6 安全殼內(nèi)裂變產(chǎn)物的泄漏控制 AP1000不再需要一個安全相關(guān)系統(tǒng)來去除假想事故后安全殼 內(nèi)的放射性。 uAP1000 利用非能動驅(qū)動的自然過程顯著地降低了設(shè)計基準(zhǔn) 事故后安全殼大氣中的放射性裂變產(chǎn)物的量。

17、u由于沉降、熱傳導(dǎo)導(dǎo)致的放射性沉積去除和水蒸氣冷凝導(dǎo) 致的放射性沉積去除等自然去除機(jī)制，導(dǎo)致 AP1000 在設(shè)計 基準(zhǔn)事故后，在安全殼大氣內(nèi)的裂變產(chǎn)物總量減小。 u非能動安全殼冷卻系統(tǒng)(PCS) 的運(yùn)行，會增強(qiáng)自然去除的效 果; 2021-7-12 u非能動堆芯冷卻系統(tǒng) (PXS) 的運(yùn)行，有助于碘在安全殼低 處水中的滯留 ; uAP1000 鋼制安全殼的貫穿件數(shù)量較少，也使安全殼泄漏率 降低;不需要事故后通過安全殼外的管道、閥門、泵或熱交換 器的流體再循環(huán)，也就消除了事故后重大的潛在泄漏源。 2021-7-12 5.6 安全殼內(nèi)裂變產(chǎn)物的泄漏控制 5.7 安全殼空氣過濾系統(tǒng) Contain

18、ment Air Filtration System 安全殼、燃料換料區(qū)和其他附屬、輔助廠房的放射性控制區(qū)均使 用安全殼空氣過濾系。 安全殼空氣過濾系統(tǒng)的功能有: u在電廠正常運(yùn)行條件下，提供間斷的室外氣流，吹洗帶氣載放 射性的安全殼內(nèi)大氣;在電廠冷停堆或熱停堆條件下，提供連續(xù)的 氣流，使氣載放射性水平達(dá)到人員進(jìn)入的標(biāo)準(zhǔn)。 u在電廣正常運(yùn)行條件下，提供間斷的氣流，在安全殼內(nèi)外之間 流動，從而保持安全殼壓力在設(shè)計壓力范圍內(nèi)。 u將乏氣從安全殼大氣導(dǎo)出到電廠通風(fēng)口進(jìn)行監(jiān)測，提供過濾從 而使現(xiàn)場邊界氣載放射性泄漏限制在可接受的水平內(nèi)。 u監(jiān)測從電廠通風(fēng)口釋放到環(huán)境中的氣體、顆粒和碟的濃度水平。 5.

19、7 安全殼空氣過濾系統(tǒng) Containment Air Filtration System 5.8 小結(jié) AP1000 的安全殼設(shè)計和非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的優(yōu)點 (1) 安全殼冷卻與堆芯冷卻是相互獨(dú)立的，因此不會發(fā)生可能 引起堆芯熔化的共模失效; (2) 安全殼冷卻更加可靠。 PCS 觸發(fā)僅僅需要打開3個觸發(fā)閥 門中的1個，3個閥門中的2 個是故障開啟的氣動閥，而另一 個是電動閥。該設(shè)計提供了3 種多重性和 2 種多樣性; (3) 幾種備用水源通過管道供安全殼使用，包括除鹽水和消防 水。一些臨時水源，如消防車，也能方便地連接到安全殼; 5.8 小結(jié) AP1000 的安全殼設(shè)計和非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的優(yōu)點 (4) PCS僅僅通過空氣冷卻就能提供足夠的熱量排出能力，這 可以防止安全殼超壓事故，進(jìn)一步降低放射性大量釋放的 可能性; (5) 電廠設(shè)計大大簡化，因為pcs 運(yùn)行不依靠復(fù)雜的電源系統(tǒng) (交流或直流)、冷卻水系統(tǒng)等; (6) 與應(yīng)用安全殼噴淋系統(tǒng)和安全殼外水循環(huán)系統(tǒng)冷卻安全殼 以緩解嚴(yán)重事故的核電廠相比，AP1000放射性釋放到環(huán)境 的可能性大大降低。 55 背景： 1979年美國三哩島和1986年前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電 廠事故發(fā)生后，嚴(yán)重事故的預(yù)防和緩解策略成為核電廠 安全分析中必須考慮的因素。其中，堆芯熔融物堆