AP1000專設安全系統(tǒng)研究

蘇浩源

摘 要 針對第二代核電站的安全運行問題，美國西屋公司設計出AP1000安全專設系統(tǒng)。AP1000采用非能動的系統(tǒng)設計，正是基于設計上的改進，AP1000安全專設系統(tǒng)的特點也非常突出。與傳統(tǒng)核電站相比，AP1000安全性顯著提升，系統(tǒng)可操作性強，事故預防能力提高，而且發(fā)電成本得以降低，這些都充分顯現(xiàn)出AP1000專設安全系統(tǒng)的競爭優(yōu)勢。

關鍵詞 AP1000；專設安全系統(tǒng)；特點

中圖分類號 TM6 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）17-0100-01

早在20世紀70年代，第二代核電機組開始運營。在開展商業(yè)化運營過程中，第二代核電機組充分證明了其經(jīng)濟上的可行性，并且目前仍在繼續(xù)發(fā)揮作用。但是前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站的事故給人們敲響了警鐘，核電站安全設計上的不足急需得到彌補。AP1000是由美國西屋公司開發(fā)的1000MWe非能動壓水堆核電站。采用非能動運行方式，第三代核電站在專設安全系統(tǒng)上實現(xiàn)了簡化，同時也極大地提高了運行的安全性。

1 AP1000專設安全系統(tǒng)的產(chǎn)生

20世紀70年代，能源危機推動了核電站的快速發(fā)展，世界范圍內(nèi)開始建造第二代核電機組。但是第二代核電站應對事故的能力不足，切爾諾貝利核電站事故也并非個案，日本福島核事故再次證明核電站安全性提升的必要性。隨著科技的日新月異，在吸取第二代核電站教訓的基礎上，各國相繼開發(fā)第三代核電站。其中美國西屋公司設計的AP1000核電站在技術上的優(yōu)勢尤為突出，其非能動的專設安全系統(tǒng)備受認可。與第二代核電站相比，AP1000在運行的安全性方面實現(xiàn)了飛躍，簡化的系統(tǒng)設計使運行維護也更為簡便。

2 AP1000專設安全系統(tǒng)的構成

AP1000專設安全系統(tǒng)主要由以下系統(tǒng)構成：

第一，非能動堆芯冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括非能動余熱系統(tǒng)和安全注入系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的安全注射和應急硼化功能外，AP1000非能動堆芯系統(tǒng)還包含堆芯應急衰變熱導出和安全殼pH控制功能。在反應堆冷卻系統(tǒng)中，非能動熱交換器的引入可保證較長時間的堆芯冷卻。安全注入系統(tǒng)依靠重力和氣體儲能的釋放注射，即使由于出水導致大規(guī)模泄露，也可提供堆芯應急冷卻。

第二，安全殼冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)壓水堆的安全殼噴淋系統(tǒng)功能相同，作用是在發(fā)生破裂事故時排出安全殼內(nèi)的熱量，使安全殼得到冷卻。系統(tǒng)內(nèi)、外環(huán)廊的空氣存在密度差，從而形成自然循環(huán)，空氣通過頂部煙囪排出。安全殼頂部配備72h的冷卻水貯存箱，在重力作用下，水向下流動，可以在安全殼頂部以及外壁形成水膜。一旦安全殼溫度過高，系統(tǒng)可自動開啟，以防安全殼被損壞。

第三，裂變產(chǎn)物去除系統(tǒng)。AP1000并沒有依靠傳統(tǒng)的噴淋方式來去除裂變產(chǎn)物，而是采取自然的過程將裂變產(chǎn)物去除。發(fā)生事故后，如放射性活度升高，非能動安全殼噴淋系統(tǒng)在安全殼外充氮罐的壓力作用下進行噴淋，以限制裂變產(chǎn)物的釋放。大部分非氣態(tài)的活性物質(zhì)最后將沉積在冷卻水中。

第四，安全殼隔離系統(tǒng)。AP1000安全專設系統(tǒng)設有兩道隔離屏障，分別在安全殼內(nèi)和安全殼外。相對傳統(tǒng)核電站，AP1000的安全殼機械貫穿件數(shù)量顯著減少，正常狀態(tài)隔離閥處于關閉狀態(tài)的比例更高。正常打開的隔離閥也由故障自動關閉，不要求貫穿兼具有支持事故后緩解的功能。

第五，主控室應急可居留系統(tǒng)。核電站一旦發(fā)生事故，主控室的可居留時間對于事故的應急處理具有重要影響。主控室工作人員需保證充足的空氣供給，并完成具體的事故處理工作。因此，AP1000可居留系統(tǒng)的設計采取自行啟動的方式，在事故發(fā)生后，及時向主控室傳遞新鮮空氣，并開展冷卻和增壓等應急處理。工作人員可維持至少72h的繼續(xù)居留。

3 AP1000專設安全系統(tǒng)的特點

AP1000專設安全系統(tǒng)通過設計上的改變，也形成以下優(yōu)勢：

第一，安全性顯著提升。AP1000專設安全系統(tǒng)在第三代核電站運行中發(fā)揮了至關重要的作用，相對于第二代核電站，其安全性更為突出。傳統(tǒng)的安全系統(tǒng)需要借助柴油發(fā)電機、設備冷卻水系統(tǒng)等作為支持，系統(tǒng)設計較為復雜，同時也給安全管理工作帶來考驗。AP1000專設安全系統(tǒng)則是在已經(jīng)成熟的壓水堆核電站技術的基礎上，應用非能動安全系統(tǒng)，以自然驅(qū)動力為依托，如重力流、對流等，因而設計上的簡化不僅有利于節(jié)約成本，更為安全運行創(chuàng)造了條件。目前西屋公司設計的AP1000專設安全系統(tǒng)已得到世界范圍內(nèi)的廣泛認可。

第二，系統(tǒng)可操作性強。AP1000專設安全系統(tǒng)在設計上的簡化也為可操作性奠定了基礎，采用非能動的安全系統(tǒng)，操作人員只需根據(jù)系統(tǒng)所要求的標準執(zhí)行，操作更加簡便易行，也因此操作人出現(xiàn)誤操作的概率大幅降低。另外從系統(tǒng)的運行維護來看，非能動安全系統(tǒng)不僅減少了設備部件，同時也使維修難度降低，其技術規(guī)范得到簡化，在系統(tǒng)運行過程中，相應的安全監(jiān)督要求降低?？梢?，AP1000專設安全系統(tǒng)從設計上的轉(zhuǎn)變到實際運行，都較第二代核電站提高了靈活性以及改進實施維修的能力。

第三，事故預防能力提高。AP1000專設安全系統(tǒng)的優(yōu)勢在于可以在無交流電源的環(huán)境下維持長期的事故緩解。對于極限設計基準事故，AP1000可通過安全殼內(nèi)堆芯冷卻劑裝量以及堆芯的硼化實現(xiàn)至少一個月的維持，所以事故緩解能力大幅提高。同時AP1000還考慮到壓力容器失效問題，制定了相應的事故管理策略。另外AP1000將堆芯熔融物保存于壓力容器內(nèi)，可以防止嚴重事故的發(fā)生，更有助于保持安全殼的完整。

第四，發(fā)電成本降低。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，生產(chǎn)生活領域的用電需求量顯著增長，核電站建設規(guī)模與日俱增。與此同時，發(fā)電站建設成本問題也受到廣泛關注。AP1000的非能動專設安全系統(tǒng)設計，使核電站的工藝布局得以簡化，工程施工量明顯縮減，工期縮短。傳統(tǒng)壓水堆所使用的泵、電纜、管道、閥門量大，AP1000的設計使這些設備部件的采購量減少，并且也為后續(xù)維修量的控制奠定了重要基礎。加之AP100使用現(xiàn)代的模塊化設計，施工速度快，工程造價更低。

4 結論

美國西屋公司設計的AP1000核電站采用非能動安全系統(tǒng)，與第二代核電站相比，從根本上實現(xiàn)了設計簡化，不再需要傳統(tǒng)的安全支持系統(tǒng)，而是通過自然力實現(xiàn)專設安全功能。因此，AP1000專設安全系統(tǒng)不僅具有較強的經(jīng)濟優(yōu)勢，更在降低造價的同時顯著提升了核電站運行的安全性，從而在第三代核電站中樹立起良好的競爭優(yōu)勢。

參考文獻

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