AP1000核電/反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界泄漏及其探測研究

江浩　夏栓

摘要：AP1000核電廠反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界相對于傳統(tǒng)壓水堆有所簡化，完整性比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更加可靠，但由于采用了先漏后破技術(shù)，屏蔽電機(jī)主泵、無引漏壓力邊界隔離閥、無泄漏爆破閥等設(shè)備，以及與非能動專設(shè)安全設(shè)施的接口所帶來的壓力邊界組成差異，使得AP1000反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的泄漏及其探測手段相對于傳統(tǒng)壓水堆有所不同。本文總結(jié)了AP1000反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界泄漏及其探測手段的特點(diǎn)，分析了其與美國管理導(dǎo)則RG 1.45的符合性，并提出了合理化建議。

1.引言

反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCS）的安全功能之一是維持反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界（RCPB）的完整性。除RCPB失效工況外，RCS作為壓力邊界在電廠所有運(yùn)行工況下容納反應(yīng)堆冷卻劑和/或應(yīng)急堆芯冷卻劑，限制放射性向安全殼內(nèi)釋放，并阻止一次側(cè)系統(tǒng)向二次側(cè)系統(tǒng)和環(huán)境的泄漏。

AP1000核電廠在傳統(tǒng)成熟的壓水堆核電技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用非能動的安全系統(tǒng)。非能動設(shè)計(jì)理念的引入和屏蔽電機(jī)式反應(yīng)堆冷卻劑泵的采用，使得其設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)壓水堆反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)有很大的不同。AP1000核電廠的RCS系統(tǒng)包含一臺反應(yīng)堆壓力容器、一臺穩(wěn)壓器和兩條環(huán)路，其中每條環(huán)路由一個熱段主管道、兩個冷段主管道、一臺蒸汽發(fā)生器以及與之直接相連的兩臺反應(yīng)堆冷卻劑泵組成。此外，還包括自動卸壓系統(tǒng)和反應(yīng)堆壓力容器頂蓋放氣系統(tǒng)。RCS的所有設(shè)備都布置在反應(yīng)堆安全殼內(nèi)。

由于應(yīng)用了先漏后破技術(shù)，采用了屏蔽電機(jī)主泵、無引漏壓力邊界隔離閥、無泄漏爆破閥等設(shè)備，以及與非能動專設(shè)安全設(shè)施的接口所帶來的壓力邊界組成差異，使得AP1000的RCPB泄漏及其探測手段相對于傳統(tǒng)壓水堆有所不同。本文總結(jié)了AP1000的RCPB泄漏及其探測手段，分析了其與RG1.45的符合性，并提出合理化建議，對后續(xù)設(shè)計(jì)提供支持。

2.相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

AP1000的RCPB泄漏探測主要遵循美國管理導(dǎo)則KG 1145《反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界泄漏探測系統(tǒng)的要求》。其中，APl000依托項(xiàng)目設(shè)計(jì)遵循RG1.45-1973版本，而APl000后續(xù)項(xiàng)目中考慮采用最新的RG1.45-2008版本。

相對于RG 1145-1973，RG 1.45-2008的規(guī)定更加詳細(xì)和明確，不過除以下兩點(diǎn)外，兩個版本導(dǎo)則的要求是基本一致：

（1）在識別泄漏源流量方面，1973版要求采用精度超過1gpm的儀表進(jìn)行監(jiān)測；而在2008版中則要求更高，要求電廠具有確定泄漏流量大于或等于0.05gpm的能力。

（2）在2008版中，增加了對電廠運(yùn)行階段泄漏趨勢監(jiān)測和運(yùn)行規(guī)程等的要求：

a）要求定期分析泄漏流量的變化趨勢，并在出現(xiàn)顯著增大時進(jìn)行安全評估。

b）要求制定規(guī)程，詳細(xì)說明在發(fā)生小于技術(shù)規(guī)格書中規(guī)定的泄漏時操縱員應(yīng)采取的措施詳細(xì)說明泄漏探測的總時間和可能失效的監(jiān)測儀表，以確保在電廠所有運(yùn)行階段能有效監(jiān)測泄漏流量。

c）在電廠維修和換料停堆期間，應(yīng)采取措施識別電廠運(yùn)行期間所有未識別泄漏的泄漏源。

3.APl000的RCPB泄漏及其探測手段

3.1泄漏分類 RCPB泄漏分為可識別泄漏和不可識別泄漏兩類。

其中，可識別泄漏包括：

·封閉系統(tǒng)的泄漏，如反應(yīng)堆壓力容器密封泄漏或閥門泄漏，這些泄漏可以收集并導(dǎo)入收集箱。

·反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)向輔助系統(tǒng)和二次側(cè)系統(tǒng)的泄漏（系統(tǒng)間泄漏）。

除上述可識別泄漏外的其它泄漏則歸為不可識別泄漏。

3.2可識別泄漏的收集與監(jiān)測

除系統(tǒng)間泄漏以外的可識別泄漏將收集到反應(yīng)堆冷卻劑疏水箱中。該水箱是一個位于安全殼內(nèi)反應(yīng)堆堆腔內(nèi)部的封閉水箱，水箱及其相關(guān)聯(lián)的泵和傳感器屬于液體放射性廢物系統(tǒng)。水箱向氣體放射性廢物系統(tǒng)排氣，防止放射性氣體釋放入安全殼大氣。根據(jù)RG1.45-1973條款1和條款7，反應(yīng)堆冷卻劑疏水箱的液位和從反應(yīng)堆冷卻劑疏水箱抽出的總流量可用來計(jì)算可識別泄漏率?？勺R別泄漏率由電廠計(jì)算機(jī)自動計(jì)算并在主控制室內(nèi)顯示，可以在1小時內(nèi)探測到一個0.1gpm的小泄漏，可以在1分鐘內(nèi)探測到10gpm的設(shè)計(jì)泄漏量。

以下章節(jié)簡略描述了各種可識別泄漏源及其探測手段。

3.2.1封閉系統(tǒng)的泄漏

（1）反應(yīng)堆壓力容器封頭密封

反應(yīng)堆壓力容器法蘭和封頭法蘭由兩道同心密封環(huán)密封。密封泄漏有兩個引漏接頭探測：一個位于內(nèi)外密封之間，另一個在外密封外面。這些管線連接在一根母管上，并排至反應(yīng)堆冷卻劑疏水箱。母管上安裝有隔離閥，在電廠正常運(yùn)行過程中，這些閥門相互配合，使得透過內(nèi)密封的泄漏排至反應(yīng)堆冷卻劑疏水箱。

反應(yīng)堆壓力容器密封泄漏母管的底部安裝有一個表面式電阻溫度探測器，能在主控室提供指示和高溫報警信號，指示可能發(fā)生的反應(yīng)堆壓力容器密封泄漏。

（2）閥桿引漏、主泵軸封引漏

傳統(tǒng)壓水堆核電廠壓力邊界閥門的引漏一般進(jìn)入疏排水箱。在APl000中冷卻劑壓力邊界采用高可靠性閥門，無需閥桿引漏。

APl000采用屏蔽電機(jī)主泵，反應(yīng)堆冷卻劑泵頂蓋法蘭采用一個焊接卡努比密封進(jìn)行密封，因而也不需要引漏。

（3）穩(wěn)壓器安全閥和自動卸壓閥

在每臺穩(wěn)壓器安全閥和自動卸壓閥出口的下游管線上均安裝有電阻溫度探測器，用來探測這些閥門下游管線的溫度。高溫指示（在主控制室報警）確認(rèn)由某一閥門閥座泄漏所引起的冷卻劑裝量減少。正常運(yùn)行時該泄漏排至反應(yīng)堆冷卻劑疏水箱，可通過反應(yīng)堆冷卻劑疏水箱的液位變化來測量泄漏量。事故工況下該泄漏排放到安全殼大氣或內(nèi)置換料水箱中。

（4）其它泄漏源

在電廠運(yùn)行過程中，運(yùn)行人員可能發(fā)現(xiàn)各種RCPB小泄漏。如果這些泄漏可以后續(xù)觀察、測量并導(dǎo)入安全殼地坑，則可認(rèn)為該泄漏是可識別泄漏。

3.2.2系統(tǒng)間泄漏

設(shè)計(jì)上不希望出現(xiàn)從RCPB向其它系統(tǒng)的大量系統(tǒng)間泄漏。但是，經(jīng)過非能動屏障或閥門的可能泄漏點(diǎn)及其探測方法是要考慮的。根據(jù)RGI.45 1973條款4，連接到反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的輔助系統(tǒng)應(yīng)具有限制泄漏的設(shè)計(jì)和管理措施。泄漏可以通過輔助系統(tǒng)液位、溫度、流量或壓力的增加被探測到，也可以通過卸壓閥開啟或輔助系統(tǒng)放射性監(jiān)測值增加被探測到。

對于正常余熱排出系統(tǒng)來說，為了保證不發(fā)生系統(tǒng)間的泄漏，從安全殼內(nèi)連接到RCS的部分開始直到安全殼外的安全殼隔離閥均按照RCS全壓設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)在安全殼外的部分，包括泵、閥門和熱交換器，按照一定的壓力和溫度設(shè)計(jì)從而確保反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)全壓低于其管道極限破裂強(qiáng)度值。

3.2.2.1蒸汽發(fā)生器傳熱管

反應(yīng)堆冷卻劑可識別泄漏的一個重要可能通道是通過蒸汽發(fā)生器傳熱管向蒸汽發(fā)生器二次側(cè)泄漏。利用下列一項(xiàng)或幾項(xiàng)可以探測源自蒸汽發(fā)生器一次側(cè)的可識別泄漏：

·凝汽器抽氣出口高放射性，由汽輪機(jī)廠房排氣口放射性監(jiān)測儀監(jiān)測和報警；

·蒸汽發(fā)生器內(nèi)二次側(cè)介質(zhì)放射性，由蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)的放射性監(jiān)測儀監(jiān)測和報警

·二次側(cè)蒸汽放射性，由主蒸汽管線的放射性監(jiān)測儀監(jiān)測和報警。在主蒸汽安全閥或大氣釋放閥向大氣排放蒸汽時，可使用該儀表的數(shù)據(jù)計(jì)算排入環(huán)境的放射性釋放量；

·凝結(jié)水的放射性、硼酸或電導(dǎo)率，采樣后由實(shí)驗(yàn)室分析給出。

3.2.2.2設(shè)備冷卻水系統(tǒng)

可以通過設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的放射性監(jiān)測儀、波動箱液位的增加、特定設(shè)備下游的高流量或幾項(xiàng)綜合，探測反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)向設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的泄漏。當(dāng)放射性物質(zhì)的活度濃度超過閾值時，設(shè)備冷卻水系統(tǒng)輻射監(jiān)測儀將向主控制室發(fā)送一個報警信號。

3.2.2.3非能動余熱排出熱交換器傳熱管

反應(yīng)堆冷卻劑可識別泄漏的另一個可能通道是從非能動余熱排出熱交換器向內(nèi)置換料水箱的泄漏。從非能動余熱排出熱交換器傳熱管來的可識別泄漏通過以下步驟探測：

·非能動余熱排出熱交換器高溫，由熱交換器進(jìn)口和出口管道上的溫度探測器監(jiān)測和報警，警告操縱員可能發(fā)生泄漏。

·此時操縱員關(guān)閉非能動余熱排出熱交換器入口隔離閥，并觀察非能動余熱排出熱交換器的壓力指示。如果壓力保持在RCS壓力，則沒有發(fā)生傳熱管泄漏，該報警指示出口隔離閥可能泄漏。

·如果觀察到壓力下降，則非能動余熱排出熱交換器傳熱管發(fā)生泄漏。隔離閥關(guān)閉時通過RCS的泄漏變化量可以確定非能動余熱排出熱交換器傳熱管的泄漏率。

3.3不可識別泄漏的收集和監(jiān)測

RG1.45-1973條款3規(guī)定至少采用3種方法探測不可識別泄漏。AP1000可以使用以下多種方法確定泄漏量和泄漏位置：

·安全殼地坑液位

·RCS水裝量平衡

·安全殼大氣放射性

以下方法作為上述方法的補(bǔ)充：

·安全殼大氣壓力、溫度和濕度

·安全殼液位

·目視檢查

穩(wěn)壓器安全閥、反應(yīng)堆壓力容器封頭、自動卸壓系統(tǒng)第四級爆破閥、穩(wěn)壓器和蒸汽發(fā)生器人孔以及反應(yīng)堆壓力容器封頭排氣管接頭是法蘭連接，除此之外，RCS全部為焊接連接。在正常運(yùn)行時，如果安全殼內(nèi)大氣放射性、壓力、溫度、或比濕度的變化在正常水平以上，則意味著不可識別泄漏率可能增加，并警告操縱員采取可能的糾正動作。同樣，安全殼地坑液位的增加也意味著不可識別泄漏的增加。

以下章節(jié)簡述了收集和監(jiān)測不可識別泄漏的方法。這些方法也用于確定安全殼內(nèi)主蒸汽管線的泄漏。

3.3.1安全殼地坑液位監(jiān)測

按照RGl.45 1973條款2，RCPB和其它設(shè)備泄漏到安全殼內(nèi)的不可識別泄漏會冷凝并在重力作用下，通過地面疏水和其它疏水途徑流入安全殼地坑。

一次側(cè)系統(tǒng)的泄漏可能導(dǎo)致反應(yīng)堆冷卻劑流入安全殼地坑。安全殼地坑液位的增加表明發(fā)生泄漏。遵照RG1.45 1973條款6的要求，安全殼地坑液位由3個抗震I類液位傳感器監(jiān)測，這些傳感器由安全相關(guān)lE級電源供電，能夠在安全停堆地震后能保持其功能。其中第3個傳感器提供冗余的主蒸汽管線泄漏監(jiān)測。

即使兩個液位傳感器失效后仍然可滿足在1小時內(nèi)確定0.5gpm泄漏率的要求。泄漏率計(jì)算由數(shù)據(jù)顯示和處理系統(tǒng)完成，如果在任何給定測量時間內(nèi)不可識別泄漏的泄漏率變化的平均均值超過0.5gpm，則電廠控制系統(tǒng)會在主控制室發(fā)出報警。最小的可檢測泄漏為0.03gpm。不可識別泄漏是總泄漏減去可識別泄漏。

為了滿足RGl.45 1973條款2和條款5，測量間隔必須足夠長以允許測量回路充分探測液位的增加，從而可以響應(yīng)0.5gpm的泄漏率，但同時也要足夠短以保證在1小時內(nèi)探測到這樣的泄漏率，因此測量間隔小于等于1小時。

當(dāng)?shù)乜右何辉黾拥礁咭何徽c(diǎn)時，一臺地坑泵自動啟動，將積聚的液體送入液體放射性廢物系統(tǒng)的廢液暫存箱和檢測箱。按照RGl.45 1973條款7，地坑泵出口流量可以在主控制室中顯示。

當(dāng)進(jìn)入地坑的不可識別泄漏率發(fā)生變化時，根據(jù)以下幾條確定泄漏源：

·檢查安全殼大氣放射性監(jiān)測儀指示的變化

·檢查安全殼濕度、壓力和溫度的變化

·檢查向反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)補(bǔ)水量的異常增加

·執(zhí)行RCS裝量平衡計(jì)算

·檢查可能向安全殼泄漏水的系統(tǒng)的液位和其它參數(shù)變化

·檢查維修操作記錄，看是否向安全殼內(nèi)排過水

該程序可以確認(rèn)主蒸汽管線泄漏和RCS泄漏。

3.3.2 RCS裝量平衡

RCS裝量監(jiān)測提供對系統(tǒng)泄漏的指示。穩(wěn)壓器凈液位變化可以指示系統(tǒng)泄漏。化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的凈補(bǔ)水量監(jiān)測和凈收集泄漏量監(jiān)測，是獲取水裝量平衡信息的重要方法。補(bǔ)水要求的異常增加或水裝量平衡的明顯變化可以指示系統(tǒng)泄漏增加。

RCS裝量平衡是定量裝量或質(zhì)量的平衡計(jì)算。該方法可以確定泄漏的類型和程度。正確的裝量平衡計(jì)算需要在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時進(jìn)行。穩(wěn)態(tài)定義為穩(wěn)定的反應(yīng)堆冷卻劑壓力、溫度、功率水平、穩(wěn)壓器液位、反應(yīng)堆冷卻劑疏水箱液位和內(nèi)置換料水箱液位。反應(yīng)堆冷卻劑裝量平衡計(jì)算最小的可探測泄漏是0.13gpm，可定期執(zhí)行或在其它指示和探測方法顯示泄漏率變化時進(jìn)行。

質(zhì)量平衡包括盡可能隔離RCS并觀察在已知時間段內(nèi)發(fā)生的裝量變化。通過觀察穩(wěn)壓器中液位確定系統(tǒng)裝量。電廠工況下，應(yīng)對影響水密度的變化進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。裝量的改變可確定RCS的總泄漏率。通過對可識別泄漏的監(jiān)測，計(jì)算其泄漏率。然后從RCS總泄漏率中減去可識別泄漏計(jì)算不可識別泄漏的泄漏率。

由于在電廠正常運(yùn)行時穩(wěn)壓器水裝量通過液位控制系統(tǒng)控制，因此即使存在泄漏，穩(wěn)壓器的液位仍可適當(dāng)?shù)乇３趾愣?。但是，穩(wěn)壓器中的質(zhì)量波動可能很大，這對計(jì)算泄漏率有明顯的影響。穩(wěn)壓器質(zhì)量計(jì)算包括蒸汽和水的質(zhì)量組成。

RCS質(zhì)量裝量的變化是液體密度變化的結(jié)果。液體密度受溫度影響很大而受壓力影響較小。整個RCS存在一個可能隨時問變化的溫度范圍。一個簡化但具有可接受精度的確定質(zhì)量變化的模型是假設(shè)整個反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的溫度是Tavg。

裝量平衡計(jì)算通過數(shù)據(jù)顯示和處理系統(tǒng)的附加輸入完成，附加輸入來自于保護(hù)和安全監(jiān)測系統(tǒng)、化學(xué)和容積控制系統(tǒng)和液體放射性廢物系統(tǒng)的傳感器。電廠運(yùn)行時系統(tǒng)部件和傳感器的用法與RGl.45 1973條款6一致：在無需電廠停堆地震后泄漏探測可保持其功能。

3.3.3安全殼大氣輻射監(jiān)測儀

F18是與功率水平成比例的中子活化產(chǎn)物，因此安全殼內(nèi)放射性的增加可能指示RCPB的泄漏。根據(jù)F18的濃度和功率水平，可以估計(jì)反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的泄漏。由真空泵驅(qū)動氣流經(jīng)過F18監(jiān)測儀，連續(xù)監(jiān)測安全殼大氣的氣載放射性。

F18監(jiān)測儀是抗震I類設(shè)備，能夠滿足RGl.45 1973條款6的要求，即可在不需要電廠停堆的地震后繼續(xù)監(jiān)測泄漏。電廠在20%功率水平以上時可以使用F18監(jiān)測儀，并且在電廠滿功率時能在1小時內(nèi)探測到0.5gpm的泄漏。

對于取樣流喪失、高放射性和指示喪失提供指示和報警，此外還設(shè)置了取樣接管收集樣本，用于實(shí)驗(yàn)室分析。該監(jiān)測儀可以在功率運(yùn)行時標(biāo)定。

3.3.4安全殼壓力、溫度和濕度監(jiān)測儀

RCPB泄漏將使安全殼的壓力、溫度和濕度有所增加，操縱員可以通過電廠控制系統(tǒng)獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。

安全殼壓力的增加指示泄漏的增加或高能管線破裂。安全殼壓力由冗余的1E級壓力傳感器監(jiān)測。

安全殼平均溫度用安全殼風(fēng)機(jī)冷卻器進(jìn)口的溫度儀表監(jiān)測，可指示泄漏增加或高能管線破裂。該儀表和指定區(qū)域內(nèi)的溫度儀表是安全殼循環(huán)冷卻系統(tǒng)的一部分，指定區(qū)域包括蒸汽發(fā)生器區(qū)域、穩(wěn)壓器區(qū)域和安全殼隔間。獨(dú)立隔間區(qū)域的溫度可以幫助確定泄漏位置。

安全殼濕度使用溫度補(bǔ)償濕度探測器監(jiān)測，以確定安全殼大氣的水蒸汽含量。安全殼大氣濕度的增加指示安全殼內(nèi)水蒸汽泄漏。該儀表是安全殼泄漏率試驗(yàn)系統(tǒng)的一部分。

濕度探測器在沒有出現(xiàn)冷凝的工況下最靈敏，是安全殼地坑液位監(jiān)測儀的有力補(bǔ)充。當(dāng)濕度快速增大并超過周圍環(huán)境濕度的10%時表明可能發(fā)生泄漏。

安全殼壓力、溫度和濕度可以幫助確定和定位泄漏，但不能用來確定泄漏量。 4.分析和總結(jié) 通過上述分析，APl000核電廠反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界泄漏及其探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本符合RGl.45 1973的要求，唯一的例外情況是對于條款8，雖然所有相關(guān)的儀表都能夠進(jìn)行試驗(yàn)和標(biāo)定，但是在功率運(yùn)行期間出于合理可行盡量低（ALARA）的考慮可能無法對某些傳感器進(jìn)行標(biāo)定，但這對電廠的可運(yùn)行性及安全性無影響。 根據(jù)本文3.3.1節(jié)的描述，APl000地坑液位探測系統(tǒng)具有確定大于或等于O.03gpm泄漏的能力，因此APl000設(shè)計(jì)亦可滿足RGl.452008的精度要求。對于RGl.45 2008中對于運(yùn)行過程中對泄漏趨勢監(jiān)測、運(yùn)行規(guī)程等的要求，在APl000依托項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中已有所體現(xiàn)，但還需按照RGl.45 2008的具體要求在編制運(yùn)行過程的過程中進(jìn)行細(xì)化和落實(shí)。

參考文獻(xiàn)

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[3] 美國管理導(dǎo)則RGl.45，ReactorC001ant Pre s sure Boundary LeakageDetection 8ystmes，Rev.1j May，2008

作者簡介

江浩（1983），男，山東，碩士研究生，工程師，工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2011年11月至今，在上海核工程研究設(shè)計(jì)院工作。曾參與恰?，敽穗姀S工程、三門和海陽核電依托項(xiàng)目及APl000國產(chǎn)化后續(xù)項(xiàng)目等項(xiàng)目。

夏栓（1982），男，河南，碩士研究生，工程師，工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2004年7月至今，在上海核工程研究設(shè)計(jì)院工作。曾參與恰?，敽穗姀S工程、三門和海陽核電依托項(xiàng)目及APl000國產(chǎn)化后續(xù)項(xiàng)目等工程項(xiàng)目。