AP1000核電機(jī)組增加換料水池水閘門必要性分析

于志成

【摘 要】AP1000核電機(jī)組在大修期間進(jìn)行低水位工況檢修工作時(shí)，放置于上部堆內(nèi)構(gòu)件存放架上的上部堆內(nèi)構(gòu)件和堆內(nèi)核測(cè)儀表活化段只有部分能被水淹沒，其余部分暴露在水面之上，這將對(duì)大修期間部分工作產(chǎn)生不可接受的人員輻照劑量，針對(duì)此情況，有必要分析論證采取合適的屏蔽方案解決此問題，使人員輻照劑量滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。本文從低水位工況工作的必要性、低水位工況期間輻照劑量計(jì)算、屏蔽方案技術(shù)分析等方面論證了AP1000機(jī)組采用增加換料水池水閘門屏蔽方案的必要性和可行性。

【關(guān)鍵詞】換料水池；水閘門；AP1000核電機(jī)組；可行性

0 概述

AP1000核電機(jī)組換料水池水閘門安裝在堆內(nèi)構(gòu)件存放池與反應(yīng)堆換料水池之間的槽道內(nèi)，如圖1所示，堆內(nèi)構(gòu)件存放池中安裝有上部堆內(nèi)構(gòu)件和下部堆內(nèi)構(gòu)件存放架，反應(yīng)堆換料水池內(nèi)安裝有反應(yīng)堆壓力容器。

圖1 換料水池

機(jī)組大修過程中，當(dāng)燃料組件卸載至乏燃料水池、上部堆內(nèi)構(gòu)件吊運(yùn)至上部堆內(nèi)構(gòu)件存放架上之后，反應(yīng)堆水池需排水以進(jìn)行低水位閥門檢修工作，而此時(shí)放置于上部堆內(nèi)構(gòu)件存放架上的上部堆內(nèi)構(gòu)件，只有底部的2667mm能被水淹沒，其余1781.6mm高度暴露在水面之上，42根堆內(nèi)核測(cè)儀表活化段只有底部的2496mm能被水淹沒，其余的1771mm長(zhǎng)度暴露在水面之上。經(jīng)初步計(jì)算分析，暴露在水面之上的上部堆內(nèi)構(gòu)件及堆內(nèi)核測(cè)儀表將產(chǎn)生不可接受的輻照劑量。因此，在壓力容器低水位期間，上部堆內(nèi)構(gòu)件及堆內(nèi)核測(cè)儀表暴露在水面以上部分需要采取有效措施進(jìn)行輻射屏蔽。

1 低水位工況的必要性

參考國(guó)內(nèi)其他核電站換料大修水位圖，并結(jié)合AP1000機(jī)組反應(yīng)堆的特點(diǎn)進(jìn)行分析，AP1000機(jī)組的大修關(guān)鍵路徑水位圖如圖2所示：

圖2 大修關(guān)鍵路徑水位圖

1.1 必須在壓力容器低水位條件下進(jìn)行的工作

與反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)有接口的系統(tǒng)包括PXS、RNS、CVS等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)中安裝有位置低于壓力容器法蘭面的閥門22個(gè)，比如RNS隔離閥（RNS-PL-V001A/V001B），這些閥門的檢修工作必須在低水位期間進(jìn)行。

另外還有14個(gè)與一回路冷卻劑劑系統(tǒng)（RCS）直接接口的閥門，安裝高度在107英尺及135英尺之間，對(duì)這些閥門檢修時(shí)，也需要將水位降低到壓力容器法蘭面水位107′11″以下。

1.2 適合在壓力容器法蘭面以下水位或低水位條件下進(jìn)行的工作

（1）壓力容器法蘭面的檢查、修復(fù)工作

壓力容器法蘭面檢查是核電廠每次換料大修必須做的工作，主要目的是檢查法蘭面是否存在劃痕、點(diǎn)蝕等缺陷，如果存在缺陷則進(jìn)行適當(dāng)?shù)男迯?fù)工作。

（2）壓力容器主螺栓孔的檢查、修復(fù)工作

壓力容器主螺栓孔檢查也是核電廠每次換料大修必須做的工作，主要目的是檢查主螺栓螺紋孔螺紋是否損壞，如有損壞則必須進(jìn)行修復(fù)。

參考國(guó)內(nèi)其他核電站換料大修計(jì)劃，AP1000核電站壓力容器法蘭面、主螺栓孔的檢查、修復(fù)工作有三個(gè)時(shí)間窗口可以安排：一是，在反應(yīng)堆開蓋階段，一體化頂蓋未吊離時(shí)，但此時(shí)為關(guān)鍵路徑會(huì)占用換料大修主線時(shí)間。二是，在反應(yīng)堆扣蓋階段，燃料組件已裝載到堆芯，上部堆內(nèi)構(gòu)件已回裝到壓力容器之后，此時(shí)同樣為關(guān)鍵路徑也會(huì)占用換料大修主線時(shí)間，但更嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)是此時(shí)開展這項(xiàng)工作會(huì)給壓力容器帶來重大的異物風(fēng)險(xiǎn)隱患，一旦在工作過程中，所使用的工器具、物料等掉入到壓力容器中，要取出它必須將上部堆內(nèi)構(gòu)件重新吊運(yùn)出壓力容器，并卸載全部燃料組件，異物找到后再重新安裝燃料組件和上部堆內(nèi)構(gòu)件，這將會(huì)大大延長(zhǎng)機(jī)組大修所用時(shí)間，造成巨額經(jīng)濟(jì)損失。三是，在低水位工況下開展此項(xiàng)工作，此時(shí)本項(xiàng)工作不是關(guān)鍵路徑，對(duì)大修主線時(shí)間沒有影響，且堆芯燃料已經(jīng)卸出至乏燃料水池，堆芯防異物風(fēng)險(xiǎn)也可以接受。

目前，國(guó)內(nèi)運(yùn)行核電廠此兩項(xiàng)工作均安排在低水位期間進(jìn)行，檢修人員可以直接進(jìn)入到反應(yīng)堆水池底部對(duì)壓力容器法蘭面、主螺栓孔進(jìn)行檢查，對(duì)缺陷進(jìn)行測(cè)量記錄和修復(fù)。此項(xiàng)工作也可以在換料水池滿水工況下使用水下攝像裝置遠(yuǎn)程進(jìn)行檢查，但當(dāng)法蘭面發(fā)生缺陷時(shí)（如劃痕、點(diǎn)蝕等）水下攝像裝置無(wú)法對(duì)缺陷的形狀和尺寸進(jìn)行測(cè)量，且目前業(yè)內(nèi)也沒有在水下進(jìn)行壓力容器法蘭面、主螺栓螺紋空螺紋修復(fù)的實(shí)例，沒有可以借鑒的成熟經(jīng)驗(yàn)。

（3）蒸汽發(fā)生器堵板安裝工作

如果在反應(yīng)堆開蓋之前，半管運(yùn)行時(shí)進(jìn)行蒸汽發(fā)生器堵板安裝工作，此時(shí)燃料組件仍安裝在壓力容器中，RNS持續(xù)運(yùn)行，以冷卻一回路冷卻劑，壓力容器水位處于熱管段的80%高度處，水位標(biāo)高為102′0.3″，此時(shí)水位距離蒸汽發(fā)生器水室進(jìn)口管嘴下緣1928mm，距水室出口管嘴下緣1830mm。

考慮到一回路冷卻劑水位突然升高，進(jìn)入到蒸汽發(fā)生器水室的風(fēng)險(xiǎn)，在燃料組件還未卸出壓力容器，反應(yīng)堆未開蓋，一回路冷卻劑處于循環(huán)的狀態(tài)，蒸汽發(fā)生器水室未隔離的情況下，進(jìn)行蒸汽發(fā)生器堵板安裝工作，嚴(yán)重威脅堵板安裝人員的人身安全。

目前國(guó)內(nèi)運(yùn)行核電站蒸汽發(fā)生器堵板工作均安排在低水位期間進(jìn)行，還沒有運(yùn)行核電站安排在半管運(yùn)行階段進(jìn)行蒸汽發(fā)生器的堵板安裝工作。

1.3 十年大修工況分析

機(jī)組十年大修期間，下部堆內(nèi)構(gòu)件需吊運(yùn)出壓力容器，存放于構(gòu)件池中的下部堆內(nèi)構(gòu)件存放架上進(jìn)行在役檢查。下部堆內(nèi)構(gòu)件吊出壓力容器之后，換料水池處于滿水狀態(tài)，下部堆內(nèi)構(gòu)件及壓力容器的在役檢查結(jié)束，下部堆內(nèi)構(gòu)件可回裝至壓力容器，之后再進(jìn)行低水位檢修工作。通過合理安排大修計(jì)劃，使下部堆內(nèi)構(gòu)件吊出壓力容器及低水位檢修時(shí)間相互錯(cuò)開。

只有在一些特殊情況下，如下部堆內(nèi)構(gòu)件吊運(yùn)出壓力容器之后，在壓力容器底部發(fā)現(xiàn)異物，此時(shí)如果反應(yīng)堆水池能排水至低水位（壓力容器法蘭面水位以下），將更有利于壓力容器底部異物打撈工作的進(jìn)行。

2 低水位期間上部堆內(nèi)構(gòu)件輻射劑量分析

為進(jìn)行低水位工作，換料水池必須排水，換料水池水位情況如圖3所示。此時(shí)上部堆內(nèi)構(gòu)件吊出存放于上部堆內(nèi)構(gòu)件存放架上，上部堆內(nèi)構(gòu)件只能被構(gòu)件池中的水部分淹沒，其余部分沒有水層屏蔽暴露在空氣中。

圖3 低水位期間換料水池水位示意圖

反應(yīng)堆水池底部標(biāo)高為107′2″，構(gòu)件池底部標(biāo)高為98′1″，兩側(cè)高度差為9′1″（2768.6mm），也就是說換料水池排水的情況下，構(gòu)件池中能儲(chǔ)存的水的深度最大為2768.6mm。

上部堆內(nèi)構(gòu)件存放架支撐環(huán)上表面距離構(gòu)件池水池底面高度為3574.3mm，上部堆內(nèi)構(gòu)件存放于上部堆內(nèi)構(gòu)件存放架上時(shí)，上部堆芯板燃料定位銷頂部距離構(gòu)件池地面101.6mm，上部堆內(nèi)構(gòu)件燃料定位銷及下部堆芯板高度為170.7mm。

由此可算出上部堆內(nèi)構(gòu)件底部最大可被水淹沒的高度為2667mm，上部堆芯板頂部最大可被水淹沒高度為2496.3mm。

AP1000機(jī)組有42根堆內(nèi)核測(cè)儀表，機(jī)組運(yùn)行期間，插入到燃料組件中，測(cè)量堆芯的中子通量及堆芯出口溫度。從壓力容器中吊出上部堆內(nèi)構(gòu)件前，需要通過提升儀表格架組件（IGA）將堆內(nèi)核測(cè)儀表從堆芯中抽出。堆內(nèi)核測(cè)儀表中有4267mm的長(zhǎng)度在機(jī)組運(yùn)行期間是插入到燃料組件中的，上部堆內(nèi)構(gòu)件吊運(yùn)至其存放架上時(shí)，插入堆芯的堆內(nèi)核測(cè)儀表只有下部的2496mm能被水淹沒，其余的1771mm沒有水層屏蔽。

機(jī)組低水位時(shí)，上部堆內(nèi)構(gòu)件因含有堆內(nèi)核測(cè)儀表活化段，是極強(qiáng)的輻射源，在構(gòu)件池低水位情況下，經(jīng)計(jì)算，在經(jīng)過一個(gè)燃料循環(huán)之后，壓力容器法蘭面近端劑量率值為57.6mSv/h，壓力容器法蘭面附近平均輻射劑量率值為41mSv/h，135平臺(tái)水池邊最大輻射劑量率值為241mSv/h，實(shí)際的輻射水平還可能大于計(jì)算值。

上部堆內(nèi)構(gòu)件存放在低水位構(gòu)件池中，維修人員進(jìn)入壓力容器法蘭面平臺(tái)作業(yè)，將會(huì)接受到很高的劑量照射，具體計(jì)算數(shù)值見表1：

表1

國(guó)內(nèi)和部分美國(guó)運(yùn)行電站的數(shù)據(jù)表明其年集體劑量大約為400man*mSv/堆·年，最近幾年WANO集體劑量指標(biāo)顯示其中值水平約為550man*mSv，先進(jìn)值230man*mSv。從計(jì)算結(jié)果來看，僅壓力容器主螺栓孔檢查及修復(fù)工作，集體劑量就可能達(dá)到717man*mSv，已超過了輻射管理目標(biāo)值。此外，由于壓力容器法蘭面、135平臺(tái)等區(qū)域的輻射水平非常高，輻射防護(hù)管控稍有閃失，個(gè)人劑量就可能超過管理限值。

通過分析計(jì)算，在低水位期間，帶有堆內(nèi)核測(cè)儀表的上部堆內(nèi)構(gòu)件存放于上部堆內(nèi)構(gòu)件存放架上，不采取必要的輻射屏蔽措施，所產(chǎn)生的輻照劑量是不可接受的。

3 干式屏蔽罩及換料水池水閘門兩種方案對(duì)比

為屏蔽上部堆內(nèi)構(gòu)件及堆內(nèi)核測(cè)儀表的輻照劑量，可考慮采用干式屏蔽罩及增加換料水池水閘門兩種方案。

3.1 干式屏蔽罩

干式屏蔽罩方案，是在低水位期間，用一個(gè)屏蔽罩扣在上部堆內(nèi)構(gòu)件及堆內(nèi)構(gòu)件吊具上，包容住上部堆內(nèi)構(gòu)件及堆內(nèi)構(gòu)件吊具，達(dá)到屏蔽堆內(nèi)構(gòu)件及堆內(nèi)核測(cè)儀表輻照劑量的目的。

3.1.1 屏蔽罩材料選擇

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，可能的屏蔽罩材料包括：重混凝土、鉛、鋼等。

混凝土：混凝土價(jià)格低廉，易于成型，鋼筋混凝土是常用的屏蔽材料。缺點(diǎn)是密度較小，一般為2.5g/cm3?？赏ㄟ^添加鐵礦石或鋼筋支撐來提高密度，密度可達(dá)到4g/cm3。缺點(diǎn)是作為移動(dòng)屏蔽體，吊裝組裝操作過程中容易因磕碰產(chǎn)生碎屑，造成污染，帶來異物風(fēng)險(xiǎn)。密度較低，屏蔽體體積較大。

鉛：鉛材料密度高，可達(dá)到12.7g/cm3，屏蔽效果較好，是常用的屏蔽材料。但鉛結(jié)構(gòu)性能較差，質(zhì)地較軟，容易擴(kuò)散，造成污染，并對(duì)人體健康有害?？捎娩?鉛制成屏蔽體，以改善其結(jié)構(gòu)特性。但當(dāng)屏蔽體重量較重時(shí)，作為結(jié)構(gòu)材料的鋼材用量較高，部分抵消了鉛屏蔽體積小的優(yōu)點(diǎn)。另外，復(fù)合結(jié)構(gòu)不能完全保證鉛不向外擴(kuò)散。

鋼：鋼的密度較高，可達(dá)到7.8 g/cm3以上（不同的合金鋼材密度有差異），屏蔽效果較好。鋼的強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)性能好，易于加工成型。反應(yīng)堆一回路相關(guān)系統(tǒng)的主要材料為各種型號(hào)的不銹鋼，如上部堆內(nèi)構(gòu)件材料主要為304不銹鋼，堆內(nèi)探測(cè)器包殼為316L不銹鋼。采用不銹鋼作為屏蔽材料，屏蔽材料與一回路相容性較好，不需要特別考慮引入異種材料增加一回路系統(tǒng)電化學(xué)腐蝕的可能。

綜上所述分析，可知以304不銹鋼或316不銹鋼作為屏蔽罩材料是較優(yōu)選擇。下面的屏蔽罩尺寸計(jì)算以304不銹鋼為基礎(chǔ)。

3.1.2 屏蔽罩尺寸

要將壓力容器檢修區(qū)域和135平臺(tái)的輻射劑量率減弱到原來的1/1000，屏蔽后壓力容器檢修區(qū)域的最大輻射劑量率降低到57.6uSv/h，135平臺(tái)構(gòu)件水池邊緣的最大輻射劑量率降低到241uSv/h的目的，屏蔽罩所需的厚度為：△1/2×㏒21000 =199.3mm（△1/2為不銹鋼對(duì)Co-60源的半減弱厚度，△1/2=20mm）。

上部堆內(nèi)構(gòu)件及堆內(nèi)構(gòu)件吊具的最大直徑為4577mm（不包括導(dǎo)向裝置尺寸），在拆除吊具工作平臺(tái)欄桿的情況下，上部堆內(nèi)構(gòu)件及堆內(nèi)構(gòu)件吊具的高度為11504mm。

為包容住上部堆內(nèi)構(gòu)件及堆內(nèi)構(gòu)件吊具，干式屏蔽罩的內(nèi)徑應(yīng)不小于4577mm，屏蔽罩內(nèi)部高度應(yīng)不小于11504mm，為使得壓力容器檢修區(qū)域的最大輻射劑量率降低到57.6uSv/h，135平臺(tái)構(gòu)件水池邊緣的最大輻射劑量率降低到241uSv/h，屏蔽罩的厚度要達(dá)到199.3mm。通過計(jì)算，該屏蔽罩的重量將達(dá)到310噸，超過了環(huán)吊的最大起升重量（環(huán)吊的最大起升重量為300美噸，約合272噸），也超過135平臺(tái)及構(gòu)件池池底的承重能力，且干式屏蔽罩與堆內(nèi)構(gòu)件及換料水池池壁之間的間隙很小，給屏蔽罩的吊裝帶來困難。因此采用干式屏蔽罩的方式來屏蔽上部堆內(nèi)構(gòu)件及堆內(nèi)核測(cè)儀表的輻照劑量的方案是不可行的。

圖4 上部堆內(nèi)構(gòu)件及堆內(nèi)構(gòu)件吊具尺寸

3.2 換料水池水閘門

換料水池水閘門安裝在構(gòu)件池與反應(yīng)堆水池之間的槽道內(nèi)，可將構(gòu)件池與反應(yīng)堆水池隔開，并實(shí)現(xiàn)密封，將整個(gè)換料水池一分為二。當(dāng)水閘門安裝時(shí)，可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆水池單獨(dú)排水，而構(gòu)件池仍保持充水狀態(tài)。

西屋設(shè)計(jì)中刪除了換料水池水閘門的設(shè)計(jì)。雖然如此，CA01模塊中仍保留有安裝水閘門的槽道，換料水池水閘門作為了可選項(xiàng)。

增加換料水池水閘門，水閘門安裝到構(gòu)件池及反應(yīng)堆水池之間的槽道中之后，可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件池與反應(yīng)堆水池的密封，在壓力容器低水位期間，反應(yīng)堆水池可以排水以便進(jìn)行低水位檢修工作，而構(gòu)件池可以保持滿水狀態(tài)，以屏蔽上部堆內(nèi)構(gòu)件及堆內(nèi)核測(cè)儀表的放射性劑量，如圖5所示。圖5 換料水池水閘門使用示意圖

CA01模塊中，換料水池水閘門槽道的高度為8560mm，寬度為5690mm，厚度為458mm，經(jīng)計(jì)算，3864mm高度的換料水池水閘門就能將上部堆內(nèi)構(gòu)件及堆內(nèi)核測(cè)儀表的劑量屏蔽到原來的萬(wàn)分之一，即壓力容器檢修區(qū)域劑量率降低到5.76μSv/h，135平臺(tái)邊緣最大劑量率降低到24.1μSv/h。當(dāng)下部堆內(nèi)構(gòu)件處于構(gòu)件池中的下部堆內(nèi)構(gòu)件存放架上時(shí)，5817mm高度的換料水池水閘門能將下部堆內(nèi)構(gòu)件活化段的輻射劑量降低到原來的萬(wàn)分之一。

4 結(jié)論

為進(jìn)行壓力容器法蘭面、主螺栓孔檢查、修復(fù)，低水位閥門檢修，蒸汽發(fā)生器堵板安裝等工作，壓力容器低水位工況是機(jī)組大修期間必須經(jīng)歷的工況。但由于堆內(nèi)核測(cè)儀表極高的放射性劑量，在機(jī)組低水位期間，如不采取措施進(jìn)行屏蔽，所造成的人員輻射劑量是不可接受的。通過綜合分析干式屏蔽罩和增加換料水池水閘門兩種屏蔽方案，最終證明采用換料水池水閘門進(jìn)行屏蔽上部堆內(nèi)構(gòu)件及堆內(nèi)核測(cè)儀表劑量的方案是可行的。

【參考文獻(xiàn)】

[1]趙薇，馮金祺.AP1000核島廠房建筑布置[M].北京：中國(guó)核電工程有限公司，2011.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]