核電廠嚴(yán)重事故氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

陳 杰 張 瑜 陳冬雷

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司上海分公司，上海 200241)

0 引言

各種核電廠風(fēng)險(xiǎn)研究中指出，在核電廠嚴(yán)重事故下所產(chǎn)生的氫氣燃燒效應(yīng)是早期安全殼失效的主要貢獻(xiàn)之一［1］。在嚴(yán)重事故期間，輕水反應(yīng)堆通過(guò)鋯水反應(yīng)、堆芯熔融等過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量氫氣，并釋放到安全殼內(nèi)。當(dāng)安全殼內(nèi)氫氣濃度積聚并超過(guò)4%的限值時(shí)，就可能發(fā)生爆燃而破壞安全殼的完整性，導(dǎo)致放射性物質(zhì)外泄。在2011 年的日本福島核事故中，安全殼內(nèi)的氫氣溢出并積聚于反應(yīng)堆廠房，后來(lái)發(fā)生的氫爆徹底破壞了廠房結(jié)構(gòu)，大量外泄的放射性物質(zhì)對(duì)電廠周圍的區(qū)域造成了嚴(yán)重污染［2-5］。RG1.97 第3 版將安全殼內(nèi)氫氣濃度定義為C1 類事故監(jiān)測(cè)變量。隨著對(duì)核電廠嚴(yán)重事故風(fēng)險(xiǎn)分析的深入和數(shù)字化儀控技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外最新法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求新建先進(jìn)核電廠安全殼內(nèi)氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)須基于數(shù)字化儀控技術(shù)，具有連續(xù)在線監(jiān)測(cè)、計(jì)算、記錄、顯示和報(bào)警功能，并降低其安全等級(jí)要求［6-7］。我國(guó)在福島核事故后也對(duì)安全殼內(nèi)氫氣濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提出新的要求，但只是提出了總體要求，并沒(méi)有對(duì)其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定。本文基于國(guó)內(nèi)外最新法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，歸納出適用于先進(jìn)核電廠安全殼內(nèi)氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并提出適用于先進(jìn)核電廠安全殼內(nèi)氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案基于數(shù)字化儀控系統(tǒng)，在核電廠嚴(yán)重事故后能夠向操縱員提供安全殼內(nèi)氫氣濃度指示和報(bào)警，用于操作員評(píng)估和緩解事故工況效應(yīng)，以稀釋安全殼內(nèi)氫氣濃度，防止安全殼內(nèi)氫氣爆燃，以避免安全殼完整性遭到破壞。

1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

NRC 認(rèn)為降低核電廠安全殼內(nèi)氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全等級(jí)仍然能夠保證氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能，即使因?yàn)槠浒踩燃?jí)的降低致使氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠性降低，也不會(huì)給公眾健康和安全帶來(lái)顯著負(fù)面影響［6］，并且RG1.97 第3 版已不適用于作為先進(jìn)核電廠數(shù)字化事故監(jiān)測(cè)儀表的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則［8］。本節(jié)根據(jù)當(dāng)前最新法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合數(shù)字化儀控技術(shù)，歸納出先進(jìn)核電廠安全殼內(nèi)氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，包括系統(tǒng)功能要求和安全分級(jí)。

1.1 功能要求

當(dāng)核電廠發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和嚴(yán)重事故后，安全殼內(nèi)氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)須能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)氫氣濃度并向操縱員提供氫氣濃度指示和報(bào)警信號(hào)，以幫助操縱員評(píng)估事故工況效應(yīng)、控制氫氣濃度和執(zhí)行嚴(yán)重事故和應(yīng)急事故處理規(guī)程。氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有評(píng)估堆芯損壞程度的能力，在嚴(yán)重事故下能確認(rèn)任一或?qū)Ｓ脷錃恻c(diǎn)火器動(dòng)作，以幫助操縱員緩解嚴(yán)重事故工況下安全殼內(nèi)氫氣濃度［6-7］。

安全殼內(nèi)氫氣濃度是保證安全殼完整性的后備監(jiān)測(cè)變量，在核電廠發(fā)生嚴(yán)重事故后向操縱員提供氫氣濃度指示和報(bào)警，用于幫助操縱員評(píng)估和診斷事故工況效應(yīng)，為事故后C 類監(jiān)測(cè)變量［8-9］。C 類變量為顯示裂變產(chǎn)物屏障(堆芯燃料包殼、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界、反應(yīng)堆安全殼)可能破裂或?qū)嶋H上已經(jīng)破裂提供信息所需監(jiān)測(cè)的變量。

10CFR50.34(f)三里島相關(guān)附加要求規(guī)定安全殼內(nèi)須提供氫氣濃度測(cè)量?jī)x表，并且測(cè)量的氫氣濃度信號(hào)須在主控制室指示和記錄。

《福島核事故發(fā)生后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求(試行)》規(guī)定在核電廠嚴(yán)重事故下，氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能全程監(jiān)測(cè)安全殼內(nèi)氫氣濃度并設(shè)置相應(yīng)的報(bào)警，以便確定核電廠狀態(tài)，并為事故管理期間決策提供盡可能實(shí)際的信息。氫氣監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)考慮在整個(gè)事故工況期間的代表性。主控制室、應(yīng)急控制中心應(yīng)能夠獲得氫氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。氫氣濃度監(jiān)測(cè)和控制措施應(yīng)納入嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則或相關(guān)規(guī)程。

1.2 安全分級(jí)

10CFR50.44 修改了當(dāng)前對(duì)所有堆型安全殼內(nèi)氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求，不要求其緩解設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故效應(yīng)，規(guī)定其主要功能為記錄和診斷設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的進(jìn)程，并將氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安全等級(jí)降為非安全級(jí)。NRC 認(rèn)為RG1.97 第3 版中的3 級(jí)變量技術(shù)要求適用于高質(zhì)量、后備、診斷功能的系統(tǒng)，適用于先進(jìn)核電廠氫氣濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［6］。

2003 年10 月16 號(hào)之前，NRC 批準(zhǔn)和安裝的安全殼內(nèi)氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全等級(jí)為安全級(jí)，滿足法規(guī)要求。之后，安全殼內(nèi)氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全等級(jí)可降低為非安全級(jí)，也滿足法規(guī)要求，但須要滿足以下技術(shù)條件［7］。

(1)設(shè)備可用性:氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不需要滿足10CFR50.49 規(guī)定的鑒定要求，但是，在設(shè)計(jì)和采購(gòu)過(guò)程中應(yīng)考慮系統(tǒng)的可靠性和耐受性，以保證在嚴(yán)重事故環(huán)境工況下氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有連續(xù)監(jiān)測(cè)氫氣濃度的能力。

(2)電源可靠性:應(yīng)由高可靠性電源供電，電源不須冗余，但應(yīng)具備不間斷供電能力，以防止電源短暫失電。

(3)質(zhì)量保證:系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)具有商業(yè)級(jí)高質(zhì)量的特性，能在特定的嚴(yán)酷環(huán)境工況下工作。

根據(jù)以上分析，將安全殼內(nèi)氫氣濃度變量定為非安全級(jí)事故后監(jiān)測(cè)變量，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備布置位置將安全殼內(nèi)的監(jiān)測(cè)儀表定為抗震II 類，滿足環(huán)境鑒定要求;輔助廠房?jī)?nèi)的氫氣處理機(jī)柜定為抗震II 類，不要求滿足環(huán)境鑒定要求。

2 設(shè)計(jì)方案

本節(jié)根據(jù)第1 節(jié)歸納出的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，提出先進(jìn)核電廠安全殼內(nèi)氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案基于數(shù)字化儀控技術(shù)，由四重氫氣傳感器和信號(hào)處理機(jī)柜組成，由可靠的UPS 交流電源供電。該方案結(jié)合電廠DCS 系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)氫氣濃度在線連續(xù)監(jiān)測(cè)、計(jì)算、記錄、顯示和報(bào)警功能，可用于嚴(yán)重事故工況效應(yīng)評(píng)估和診斷，幫助操縱員執(zhí)行嚴(yán)重事故和應(yīng)急事故操作規(guī)程。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2.1 氫氣傳感器

在安全殼頂部位置布置4 個(gè)氫氣監(jiān)測(cè)儀表。4 個(gè)氫氣監(jiān)測(cè)儀表都能代表安全殼內(nèi)總體氫氣濃度，互為冗余，并具有一定的重疊性。四重冗余儀表的設(shè)置，可滿足一個(gè)儀表在維修或故障且其余兩個(gè)儀表監(jiān)測(cè)信號(hào)不一致的情況下，可用第四個(gè)儀表判別當(dāng)前正確的氫氣濃度，提高系統(tǒng)的可用性。氫氣傳感器不執(zhí)行安全功能，無(wú)需進(jìn)行設(shè)備多樣性設(shè)計(jì)，因此，宜在同一廠家統(tǒng)一采購(gòu)，以減少后續(xù)運(yùn)營(yíng)、維護(hù)成本。

氫氣傳感器具有一定的寬量程，可以覆蓋嚴(yán)重事故工況下最大氫氣濃度，并具有連續(xù)在線監(jiān)測(cè)功能。氫氣傳感器具有一定的測(cè)量精度和響應(yīng)時(shí)間，以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

傳感器測(cè)量的氫氣濃度信號(hào)經(jīng)過(guò)安全殼電氣貫穿件傳送至布置在輔助廠房的氫氣處理機(jī)柜。

圖1 安全殼內(nèi)氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the hydrogen monitoring system inside containment shell

2.2 氫氣處理機(jī)柜

氫氣處理機(jī)柜布置在核電廠輔助廠房，它將傳感器傳送過(guò)來(lái)的氫氣濃度信號(hào)調(diào)理為4 ～20 mADC 模擬量信號(hào)。當(dāng)氫氣濃度信號(hào)高于一定值時(shí)，機(jī)柜發(fā)出開(kāi)關(guān)量報(bào)警信號(hào)。此外，機(jī)柜具有自檢功能，當(dāng)傳感器、機(jī)柜處理器卡件或電源等部件故障時(shí)，將發(fā)出開(kāi)關(guān)量系統(tǒng)故障報(bào)警信號(hào)。

氫氣處理機(jī)柜向DCS 發(fā)送模擬量信號(hào)和開(kāi)關(guān)量信號(hào)，模擬量信號(hào)為4 ～20 mADC 氫氣濃度信號(hào)。開(kāi)關(guān)量信號(hào)用于向DCS 系統(tǒng)提供安全殼內(nèi)氫氣濃度高報(bào)警信號(hào)以及氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障報(bào)警信號(hào)。氫氣處理機(jī)柜具有氫氣濃度數(shù)字化就地顯示和報(bào)警功能。

2.3 供電

根據(jù)上文對(duì)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的分析，為了保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，氫氣處理機(jī)柜采用不間斷交流電源(UPS)進(jìn)行供電，以防止供電短暫失電，導(dǎo)致氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不可用。在保證供電可靠性下，電源采用單路供電，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)并節(jié)省造價(jià)。此供電模式既滿足相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的要求，又能簡(jiǎn)化系統(tǒng)。

2.4 信號(hào)儲(chǔ)存與評(píng)估

氫氣處理機(jī)柜將氫氣濃度、報(bào)警和系統(tǒng)故障信號(hào)傳送至核電廠DCS 系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，以便事故后電廠工作人員對(duì)核電廠事故工況進(jìn)程和設(shè)備損壞情況進(jìn)行評(píng)估。也可將這些數(shù)據(jù)委托第三方專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行電廠設(shè)備損壞評(píng)估和系統(tǒng)研究，以確定電廠預(yù)期壽命并對(duì)系統(tǒng)做出優(yōu)化改進(jìn)。

2.5 顯示和報(bào)警

為了滿足相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和福島事故后氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求，安全殼內(nèi)氫氣濃度信號(hào)最終會(huì)在主控制室和遠(yuǎn)程停堆站進(jìn)行顯示，并在這兩處進(jìn)行氫濃度高報(bào)警。在核電廠發(fā)生嚴(yán)重事故后，顯示和報(bào)警信息供運(yùn)行人員評(píng)估事故工況效應(yīng)，執(zhí)行嚴(yán)重事故相關(guān)規(guī)程，以緩解事故工況。

2.6 多樣性

氫氣濃度監(jiān)測(cè)和堆芯溫度監(jiān)測(cè)都是為了保證安全殼完整的監(jiān)測(cè)手段，其中堆芯溫度為保證安全殼完整的首要監(jiān)測(cè)變量，氫氣濃度為其后備監(jiān)測(cè)變量。采用安全殼內(nèi)氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)保證安全殼完整性的系統(tǒng)多樣性。

2.7 環(huán)境和抗震鑒定

安全殼內(nèi)氫氣濃度監(jiān)測(cè)儀表為非安全級(jí)設(shè)備，但它應(yīng)在嚴(yán)重事故環(huán)境工況下特定的時(shí)間內(nèi)正常運(yùn)行。氫氣傳感器布置在安全殼廠房，應(yīng)滿足IEEE 323 規(guī)定的環(huán)境和抗震鑒定要求;氫氣處理機(jī)柜布置在輔助廠房，嚴(yán)重事故工況下環(huán)境條件較為和緩，因此其無(wú)須滿足IEEE 323 規(guī)定的環(huán)境鑒定要求，但應(yīng)滿足抗震鑒定要求。

2.8 安裝要求

氫氣監(jiān)測(cè)儀表和處理機(jī)柜都為抗震類設(shè)備，安裝支架都需要滿足抗震鑒定，并且安裝方式宜采用預(yù)埋件方式安裝，以保證在核電廠安全停堆地震事故工況下設(shè)備結(jié)構(gòu)完整性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的安全殼內(nèi)氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，體現(xiàn)了國(guó)內(nèi)外最新法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)安全殼內(nèi)氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求，適用于先進(jìn)核電廠嚴(yán)重事故安全殼內(nèi)氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)和功能合理，系統(tǒng)具有四重冗余的傳感器和可靠的UPS 交流電源供電，能夠連續(xù)在線監(jiān)測(cè)氫氣濃度，具有較高的可靠性和可用性。系統(tǒng)通過(guò)DCS 服務(wù)器記錄評(píng)估氫氣濃度和報(bào)警信號(hào)，并在主控制室和遠(yuǎn)程停堆站進(jìn)行氫氣濃度信號(hào)顯示和報(bào)警。在核電廠發(fā)生嚴(yán)重事故后能夠有效地向操縱員提供氫氣濃度指示和報(bào)警，以幫助操縱員評(píng)估和診斷事故工況進(jìn)程和后果，緩解核電廠事故效應(yīng)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)方案基于數(shù)字化儀控技術(shù)，滿足最新法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，為福島核事故后新建先進(jìn)核電廠安全殼內(nèi)氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了一套可實(shí)施的方案，也為在役核電廠提供了一套改進(jìn)的方案。

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