壓水堆安全性分析

1、壓水壓水堆安全性分析堆安全性分析壓水反應(yīng)堆（Pressurized Water Reactor，縮寫為PWR）是美國貝蒂斯原子能實驗室（Bettis Atomic Power Laboratory）開發(fā)成功的一種輕水核反應(yīng)堆世界上多數(shù)核電廠采用壓水堆，是由于世界上多數(shù)核電廠采用壓水堆，是由于：1.壓水堆以輕水作慢化劑及冷卻劑，反應(yīng)堆體積小，技術(shù)十分成熟。2.壓水堆采用低富集度鈾作燃料，鈾的濃縮技術(shù)已經(jīng)過關(guān)。3.壓水堆核電廠有放射性的一回路系統(tǒng)與二回路系統(tǒng)分開，放射性冷卻劑不會進(jìn)入二回路而污染汽輪機(jī)，運行、維護(hù)方便，需要處理的放射性廢氣、廢水、廢物量較少。新機(jī)組采用的先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)：EPRAP1

2、000EPR（歐洲壓水堆）EPR是20世紀(jì)90年代初由法馬通公司和西門子公司成立的合資企業(yè)開發(fā)的。在開發(fā)過程中，所追求的目標(biāo)不僅要考慮各種技術(shù)解決方法的協(xié)調(diào)一致，還要考慮充分吸取2家供應(yīng)商先前建造的核電廠的所有經(jīng)驗反饋。就安全性而言，EPR根據(jù)法馬通和西門子當(dāng)時已經(jīng)建造的96座反應(yīng)堆的經(jīng)驗反饋，采取改進(jìn)的方法。這種設(shè)計原則，使AREVA(阿海琺)的EPR成為繼現(xiàn)役最先進(jìn)的法國N4和德國Konvoi反應(yīng)堆之后的最新一代反應(yīng)堆。EPR為提高安全水平不斷進(jìn)行了多種設(shè)為提高安全水平不斷進(jìn)行了多種設(shè)計選擇，并為此采用了雙重措施：計選擇，并為此采用了雙重措施：(1)采取改進(jìn)措施，旨在進(jìn)一步降低已經(jīng)很低的堆

3、芯熔化概率；(2)在已知嚴(yán)重事故概率已大幅降低的情況下，采取措施進(jìn)一步限制嚴(yán)重事故的后果。一、降低堆芯熔化概率的設(shè)計選擇一、降低堆芯熔化概率的設(shè)計選擇（1） 從設(shè)計階段就開始考慮擴(kuò)展運行條件的范圍（2） 針對有關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)采取的設(shè)計選項（ 3）從設(shè)計上進(jìn)一步提高操縱員操作的可靠性 1.從設(shè)計階段就開始考慮擴(kuò)展運行條件的范圍從設(shè)計階段就開始考慮擴(kuò)展運行條件的范圍根據(jù)概率安全評估，強(qiáng)調(diào)應(yīng)重視停堆狀態(tài)。EPR首次在確定反應(yīng)堆防護(hù)與保護(hù)系統(tǒng)的規(guī)模時對這些特殊狀態(tài)做了系統(tǒng)考慮。盡管EPR安全分析法主要是以縱深防御概念(確定論方法的一部分)為基礎(chǔ)，但它還采用了概率分析方法作為補(bǔ)充。這使得人們能夠確定可能產(chǎn)

4、生堆芯熔化或大規(guī)模早期釋放的事故的序列。最后，安全系統(tǒng)和土建的設(shè)計也充分考慮最大程度降低外部災(zāi)害的風(fēng)險，例如地震、水災(zāi)、火災(zāi)、甚至飛機(jī)撞擊。為此，安全系統(tǒng)的機(jī)械和電氣設(shè)備在設(shè)計中采用四重冗余并進(jìn)行實體隔離。由于一系列關(guān)鍵廠房采用21.30m厚的雙層混凝土殼的保護(hù)，因而確保其免受飛機(jī)撞擊的破壞2.針對有關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)采取的設(shè)計選項針對有關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)采取的設(shè)計選項反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的設(shè)計，采用鍛造管道及部件，使用高性能材料，結(jié)合采取早期泄漏檢測，并加強(qiáng)在役檢查，實質(zhì)性地根除了任何大破口事故的風(fēng)險。同上幾代反應(yīng)堆相比，EPR的安全系統(tǒng)采用實體隔離，使安全系統(tǒng)得到簡化，冗余和多樣性得到優(yōu)化。實際上這些系統(tǒng)

5、的結(jié)構(gòu)簡單，依據(jù)反應(yīng)堆是帶功率運行還是處于停堆狀態(tài)，把所需進(jìn)行的配置上的變化降至最小。由于安注壓力低于二次側(cè)安全閥的整定壓力，因此對蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂的事故管理得到改進(jìn)。這樣帶來了雙重好處，可以避免發(fā)生液體釋放并大大降低二次側(cè)安全閥卡在“開”位上的危險。3.從設(shè)計上進(jìn)一步提高操縱員操作的可靠性從設(shè)計上進(jìn)一步提高操縱員操作的可靠性在短期的偶發(fā)事件和事故中，所需的保護(hù)和安全防護(hù)動作是自動的。主設(shè)備容量增加(反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器)，也增大了反應(yīng)堆的慣性，在30 min以內(nèi)不需主控室操縱員采取行動，在1h以內(nèi)不需采取就地操作行動。從首批全計算機(jī)化主控室的N4電站所獲得的反饋經(jīng)驗分析，在

6、數(shù)字儀控領(lǐng)域所取得的進(jìn)步，使EPR在人機(jī)接口方面具有高性能、高可靠性和最優(yōu)化設(shè)計的特點。反應(yīng)堆的質(zhì)量及有關(guān)電廠狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，使得操縱員能夠?qū)崟r提高行動的可靠性。二、二、 限制嚴(yán)重事故后果的設(shè)計選項限制嚴(yán)重事故后果的設(shè)計選項EPR減輕嚴(yán)重事故后果的策略包括：(1) 從實際上消除可能導(dǎo)致早期大規(guī)模釋放的情況。例如：高壓堆芯熔化，高能堆芯熔融物和水的相互作用，反應(yīng)堆安全殼內(nèi)氫爆轟；(2) 采取措施確保反應(yīng)堆安全殼的完整性。例如：堆芯熔化物在安全殼內(nèi)部的滯留、穩(wěn)定和冷卻；適當(dāng)?shù)陌踩珰だ鋮s。1.從實質(zhì)上根除了可能導(dǎo)致早期大規(guī)模從實質(zhì)上根除了可能導(dǎo)致早期大規(guī)模釋放的情況釋放的情況高壓熔堆的預(yù)防高能堆芯熔

7、融物與水相互作用的預(yù)防 反應(yīng)堆安全殼內(nèi)氫爆轟的預(yù)防高壓熔堆的預(yù)防：高壓熔堆的預(yù)防：除了通常的反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的卸壓系統(tǒng)，EPR裝有專門用于在偶發(fā)嚴(yán)重事故中防止高壓熔堆的閥門。這些閥門保證在即使發(fā)生穩(wěn)壓器卸壓管線故障的情況下，也能快速卸壓。它們的卸壓能力保證一次側(cè)快速減壓至幾百千帕，在壓力容器熔穿事件中通過堆芯熔融物的分散來排除任何反應(yīng)堆安全殼增壓的風(fēng)險。高能堆芯熔融物與水相互作用的預(yù)防：高能堆芯熔融物與水相互作用的預(yù)防：反應(yīng)堆壓力容器的高機(jī)械強(qiáng)度足以排除任何反應(yīng)所造成的損害，即使是壓力容器內(nèi)部高能的堆芯熔融物和冷卻劑之間的相互作用。偶發(fā)的堆芯熔化事件，情況會隨著堆芯熔融物在壓力容器外擴(kuò)展而加重

8、，堆芯熔融物可能與部分安全殼相接觸，也就是說反應(yīng)堆堆坑和堆芯熔融物展開區(qū)在正常運行中要保持干燥(無水)。堆芯熔融物在安全殼內(nèi)部專門區(qū)域內(nèi)展開時，只有當(dāng)它已經(jīng)出現(xiàn)部分冷卻、表面固化、放射性減少的時候，才可使之與有限的水接觸以使其進(jìn)一步降溫。反應(yīng)堆安全殼內(nèi)氫爆轟的預(yù)防：反應(yīng)堆安全殼內(nèi)氫爆轟的預(yù)防：安全殼預(yù)應(yīng)力混凝土內(nèi)殼的設(shè)計要能夠抵擋由于氫氣燃燒所產(chǎn)生的壓力，另外在安全殼內(nèi)裝有氫氣復(fù)合器以便任何時候氫的平均濃度保持在10%以下。2.保持安全殼的完整性保持安全殼的完整性堆芯熔化物在安全殼內(nèi)部的貯留、穩(wěn)定和冷卻安全殼排熱系統(tǒng)和長期余熱排出裝置堆芯熔化物在安全殼內(nèi)部的貯留、穩(wěn)定和冷卻：堆芯熔化物在安全殼

9、內(nèi)部的貯留、穩(wěn)定和冷卻：EPR堆坑設(shè)計，考慮堆芯熔融物在壓力容器外擴(kuò)張的情況下，收集堆芯熔融物，然后把它轉(zhuǎn)運至堆芯熔融物展開、冷卻區(qū)。專門的堆芯擴(kuò)散冷卻區(qū)是一個堆芯捕集器，它裝備有固體金屬結(jié)構(gòu)并且表面覆蓋有“可犧牲性”的混凝土作保護(hù)層。其目的是保護(hù)基礎(chǔ)底板不受任何損害，并且冷卻堆芯熔融物。堆芯熔融物從堆坑到展開區(qū)的轉(zhuǎn)運要通過一個非能動裝置，鋼“塞”在堆芯熔融物的熱效應(yīng)下熔化。展開之后，堆芯熔融物的淹沒也是通過非能動的可熔的塞體裝置來完成的。安全殼內(nèi)換料水箱中的水在最初臨界階段靠重力非能動地注入熔融物，之后蒸發(fā)，使熔融物得到冷卻。幾小時以后冷卻效應(yīng)使堆芯熔融物固定并在幾天后完成固化。安全殼排熱系

10、統(tǒng)和長期余熱排出裝置：安全殼排熱系統(tǒng)和長期余熱排出裝置：在偶發(fā)嚴(yán)重事故中，為了防止安全殼失去其長期完整性，必須有措施控制安全殼內(nèi)的壓力并阻止在余熱效應(yīng)作用下壓力升高。帶有熱交換器的雙列噴淋系統(tǒng)和專門的熱阱用于執(zhí)行這一功能。由于安全殼體積大(80000m3),充許操縱員有較長時間(至少有12h)來部署這一系統(tǒng)。AP 1000西屋公司在已開發(fā)的非能動先進(jìn)壓水堆AP600的基礎(chǔ)上開發(fā)了AP1000。AP1000的設(shè)計規(guī)范：AP1000為單堆布置兩環(huán)路機(jī)組，電功率1250MWe，設(shè)計壽命60年，主要安全系統(tǒng)采用非能動設(shè)計，布置在安全殼內(nèi)，安全殼為雙層結(jié)構(gòu)，外層為預(yù)應(yīng)力混凝土，內(nèi)層為鋼板結(jié)構(gòu)。AP100

11、0主要的設(shè)計特點包括：（1）主回路系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計采用成熟電站設(shè)計（2）簡化的非能動設(shè)計提高安全性和經(jīng)濟(jì)性（3）嚴(yán)重事故預(yù)防與緩解措施（4）儀控系統(tǒng)和主控室設(shè)計 （5）建造中大量采用模塊化建造技術(shù)1、主回路、主回路系統(tǒng)和系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計設(shè)備設(shè)計采用成熟電站采用成熟電站設(shè)計設(shè)計AP1000堆芯采用西屋的加長型堆芯設(shè)計，這種堆芯設(shè)計已在比利時的Doel 4號機(jī)組、Tihange 3號機(jī)組等得到應(yīng)用；燃料組件采用可靠性高的Performance+；采用增大的蒸汽發(fā)生器（D125型），和正在運行的西屋大型蒸汽發(fā)生器相似；穩(wěn)壓器容積有所增大；主泵采用成熟的屏蔽式電動泵；主管道簡化設(shè)計，減少焊縫和支撐；壓力容

12、器與西屋標(biāo)準(zhǔn)的三環(huán)路壓力容器相似，取消了堆芯區(qū)的環(huán)焊縫，堆芯測量儀表布置在上封頭，可在線測量。2、簡化、簡化的非能動設(shè)計提高安全性和的非能動設(shè)計提高安全性和經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性AP1000主要安全系統(tǒng)，如余熱排出系統(tǒng)、安注系統(tǒng)、安全殼冷卻系統(tǒng)等，均采用非能動設(shè)計，系統(tǒng)簡單，不依賴交流電源，無需能動設(shè)備即可長期保持核電站安全，非能動式冷卻顯著提高安全殼的可靠性。安全裕度大。針對嚴(yán)重事故的設(shè)計可將損壞的堆芯保持在壓力容器內(nèi)，避免放射性釋放。簡化非能動設(shè)計大幅度減少了安全系統(tǒng)的設(shè)備和部件，與正在運行的電站設(shè)備相比，閥門、泵、安全級管道、電纜、抗震廠房容積分別減少了約50%，35%，80%，70%和45%。同

13、時采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，便于采購、運行、維護(hù)，提高經(jīng)濟(jì)性。3、嚴(yán)重事故、嚴(yán)重事故預(yù)防與緩解預(yù)防與緩解措施措施AP1000設(shè)計中考慮了以下幾類嚴(yán)重事故：堆芯和混凝土相互反應(yīng)；高壓熔堆；氫氣燃燒和爆炸；蒸汽爆炸；安全殼超壓；安全殼旁路。為防止堆芯熔融物熔穿壓力容器和混凝土底板發(fā)生反應(yīng)，AP1000采用了將堆芯熔融物保持在壓力容器內(nèi)設(shè)計（IVR）。在發(fā)生堆芯熔化事故后，將水注入到壓力容器外璧和其保溫層之間，可靠地冷卻掉到壓力容器下封頭的堆芯熔融物。在AP600設(shè)計時已進(jìn)行過IVR的試驗和分析，并通過核管會的審查。對于AP1000，這些試驗和分析結(jié)果仍然適用，但需作一些附加試驗。由于采用了IVR技術(shù)，可以保

14、證壓力容器不被熔穿，從而避免了堆芯熔融物和混凝土底板發(fā)生反應(yīng)。針對高壓熔堆事故，AP1000主回路設(shè)置了4列可控的自動卸壓系統(tǒng)（ADS），其中3列卸壓管線通向安全殼內(nèi)換料水儲存箱，1列卸壓管線通向安全殼大氣。通過冗余多樣的卸壓措施，能可靠地降低一回路壓力，從而避免發(fā)生高壓熔堆事故。 針對氫氣燃燒和爆炸的危險，AP1000在設(shè)計中使氫氣從反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)逸出的通道遠(yuǎn)離安全殼壁，避免氫氣火焰對安全殼璧的威脅。同時在環(huán)安全殼內(nèi)部布置冗余、多樣的氫點火器和非能動自動催化氫復(fù)合器，消除氫氣，降低氫氣燃燒和爆炸對安全殼的危險。 對于蒸汽爆炸事故，由于AP1000設(shè)置冗余多樣的自動卸壓系統(tǒng)，避免了高壓蒸汽爆

15、炸發(fā)生。而在低壓工況下，由于IVR技術(shù)的應(yīng)用，堆芯熔融物沒有和水直接接觸，避免了低壓蒸汽爆炸發(fā)生。對于由于喪失安全殼熱量排出引起的安全殼超壓事故，AP1000非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的兩路取水管線的排水閥在失去電源和控制時處于故障安全位置，同時設(shè)置一路管線從消防水源取水，確保冷卻的可靠性。事故后長期階段僅靠空氣冷卻就足以帶出安全殼內(nèi)的熱量，有效防止安全殼超壓。由于采用了IVR技術(shù)，不會發(fā)生堆芯熔融物和混凝土底板的反應(yīng)，避免了產(chǎn)生非凝結(jié)氣體引起的安全殼超壓事故。針對安全殼旁路事故，AP1000通過改進(jìn)安全殼隔離系統(tǒng)設(shè)計、減少安全殼外LOCA發(fā)生等措施來減少事故的發(fā)生。4、儀、儀控系統(tǒng)和主控室設(shè)計控系統(tǒng)和主控室設(shè)計AP1000儀控系統(tǒng)采用成熟的數(shù)字化技術(shù)設(shè)計，通過多樣化的安全級、非安全級儀控系統(tǒng)和信息提供、操作避免發(fā)生共模失效。主控室采用布置