縱深防御在“華龍一號”設(shè)計中的應(yīng)用

張艷輝 張琳 鄭俊

摘要：縱深防御貫穿于核電廠整個壽期（設(shè)計、建造、運(yùn)行和退役）的各個階段，以保證核電廠所有活動均置于重疊措施的防御之下，當(dāng)有一種防御措施失效時，它將由適當(dāng)?shù)拇胧┨綔y、補(bǔ)償或糾正。本文介紹了縱深防御的目標(biāo)和分層，結(jié)合“華龍一號”的基本技術(shù)特征，采用最新提出的能動與非能動相結(jié)合的安全系統(tǒng)設(shè)計理念，對縱深防御在“華龍一號”中的應(yīng)用進(jìn)行分析。結(jié)果表明，“華龍一號”具有更高的安全性和經(jīng)濟(jì)性，滿足最新的安全要求和國際上第三代核電的用戶要求。

關(guān)鍵詞：縱深防御;華龍一號;能動與非能動;核電廠

中圖分類號：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

核能是一種安全且環(huán)境友好的能源，是國際能源可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分，建設(shè)核電站必須始終堅(jiān)持質(zhì)量第一和安全第一的原則。為了實(shí)現(xiàn)核安全目標(biāo)，在核電廠的設(shè)計、建造、運(yùn)行和退役各階段采用縱深防御的原則，不僅從設(shè)備上而且從措施上提供多層次的重疊保護(hù)，以確保對反應(yīng)堆功率有效控制，對燃料組件充分冷卻，對放射性物質(zhì)實(shí)現(xiàn)有效包容，使其不發(fā)生泄漏。

1核電廠縱深防御的目標(biāo)和分層

國家核安全局在2016年重新修訂發(fā)布的《核動力廠設(shè)計安全規(guī)定》（HAF102）中指出：縱深防御要貫徹于安全有關(guān)的全部活動，包括與組織、人員行為或設(shè)計有關(guān)的方面，以保證這些活動均置于重疊措施的防御之下，即使有一種故障發(fā)生，它將由適當(dāng)?shù)拇胧┨綔y、補(bǔ)償或糾正。在整個設(shè)計和運(yùn)行中貫徹縱深防御，以便對由廠內(nèi)設(shè)備故障或人員活動及廠外事件等引起的各種瞬變、預(yù)計運(yùn)行事件及事故提供多層次的保護(hù)。

根據(jù)核電廠核安全事故的發(fā)展特點(diǎn)，縱深防御的三個目標(biāo)為：（1）補(bǔ)償或糾正設(shè)備故障或人員差錯;（2）維持屏障本身的有效性并防止故障傳播到全廠;（3）在屏障本身的有效性不能完全保持時，保護(hù)從業(yè)人員、公眾和環(huán)境不致受到輻射傷害。

為了實(shí)現(xiàn)縱深防御的三個目標(biāo)，根據(jù)核電廠運(yùn)行特點(diǎn)，縱深防御通常設(shè)置為5個層次：預(yù)防、檢測、保護(hù)、包容、應(yīng)急。防御層次是縱深防御原理對與核反應(yīng)堆的運(yùn)行、停堆和冷卻相關(guān)的儀控系統(tǒng)的特殊應(yīng)用。如果某一防御層次失效，后面的層次可以加以補(bǔ)償或糾正，不同層次的防御措施的實(shí)施與更高或更低層次的防御有效性無關(guān)。通常情況下，將頭3層防御措施作為設(shè)計基準(zhǔn)，目的是保持堆芯結(jié)構(gòu)的完整性和限制公眾可能受到的輻射危害;將第4層防御措施作為超設(shè)計基準(zhǔn)，目的是使發(fā)生嚴(yán)重機(jī)組工況的可能性和放射性釋放量均保持在合理可行盡可能低的水平。

2縱深防御應(yīng)用于“華龍一號”

“華龍一號”（HPR1000）是我國目前唯一具有完整自主知識產(chǎn)權(quán)的三代核電品牌，是中核集團(tuán)和中廣核集團(tuán)在我國幾十年核電建設(shè)運(yùn)營成熟經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，融合國際先進(jìn)核電技術(shù)設(shè)計理念，并充分借鑒2011年日本福島核事故獲得的經(jīng)驗(yàn)反饋，潛心鉆研，依據(jù)國際最高核電安全標(biāo)準(zhǔn)合作完成的自主創(chuàng)新成果。2015年5月7日，“華龍一號”全球首堆示范工程在福建福清開工建設(shè)，標(biāo)志著中國核電自主創(chuàng)新的里程碑;2015年8月20日，“華龍一號”海外首堆在巴基斯坦卡拉奇開工建設(shè)，標(biāo)志著中國核電“走出去”的新起點(diǎn)。

2.1“華龍一號”技術(shù)特征

“華龍一號”的設(shè)計方案立足于縱深防御的原則，采用確定論與概率論相結(jié)合的安全分析方法，以“風(fēng)險指引”確定安全設(shè)計方案。在不同的防御層次上，“華龍一號”滿足冗余性、獨(dú)立性和多樣性的設(shè)計要求，并更好地平衡了經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)一步完善了核電廠預(yù)防和緩解嚴(yán)重事故的措施。

“華龍一號”反應(yīng)堆堆芯由177組先進(jìn)燃料組件組成，在提高反應(yīng)堆發(fā)電功率的同時降低了堆芯線功率密度，具有更高的安全性和經(jīng)濟(jì)性;一回路主系統(tǒng)采用成熟的三環(huán)路設(shè)計，具有更大的穩(wěn)壓器容積，每個環(huán)路采用增大的蒸汽發(fā)生器，可適應(yīng)更高的運(yùn)行功率和容納運(yùn)行瞬態(tài)，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性;采用雙層安全殼結(jié)構(gòu)，能夠抵御商用大飛機(jī)的惡意撞擊，事故情況下可保證放射性物質(zhì)不會外泄;主循環(huán)泵增設(shè)停機(jī)靜密封，以利于在全廠斷電時保持一回路的自然循環(huán)，導(dǎo)出堆芯余熱;壓力容器上新增設(shè)高位排氣系統(tǒng)，事故發(fā)生時可排出累積于上封頭處的不可凝氣體，防止其影響堆芯冷卻劑的流動和傳熱，避免堆芯熔化;地震水平與豎向峰值加速度為0.3g，具有更強(qiáng)的系統(tǒng)與設(shè)備抗震能力，可有效抵御引發(fā)福島核事故類似震級的地震;采用健全的防水淹措施，加強(qiáng)抵御內(nèi)部水淹和外部水淹能力;主設(shè)備（反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、主管道、主泵泵殼等）設(shè)計壽命為60年，堆芯換料周期為18個月，電廠可利用率大于等于90%，大大提高了核電廠經(jīng)濟(jì)性;采用“能動與非能動”相結(jié)合的安全系統(tǒng)設(shè)計，在全廠斷電工況等極端條件下，能動系統(tǒng)的功能喪失，非能動系統(tǒng)能在72小時內(nèi)將反應(yīng)堆維持在安全狀態(tài)。

2.2能動加非能動安全系統(tǒng)設(shè)計

能動與非能動相結(jié)合的安全設(shè)計理念是“華龍一號”最具代表性的創(chuàng)新。能動安全系統(tǒng)嚴(yán)格遵守安全級設(shè)計要求，滿足冗余性、獨(dú)立性、多樣性、單一故障等原則，技術(shù)成熟，可靠性高，能夠快速消除或緩解事故;非能動系統(tǒng)則依賴重力、自然循環(huán)、熱膨脹、氣體膨脹等自然力，即使在能動系統(tǒng)全部失效或全廠失去電源時，仍可保證反應(yīng)堆的安全。“華龍一號”設(shè)計中的典型非能動系統(tǒng)主要包括：非能動安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)、二次側(cè)非能動余熱排出系統(tǒng)、能動與非能動相結(jié)合的堆腔注水冷卻系統(tǒng)。通過大量試驗(yàn)研究證明，在特定事故工況下，這些非能動系統(tǒng)均能夠滿足其既定的功能需求?！叭A龍一號”能動與非能動安全系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

根據(jù)縱深防御的分層原理，在防御的第3層次，即在應(yīng)對設(shè)計基準(zhǔn)事故時，以能動安全系統(tǒng)（安注、安全殼噴淋、應(yīng)急堆芯注水、二次側(cè)余熱排出等）為主要控制，輔以安注箱、彈簧式安全閥等部分非能動安全手段;而在防御的第4層次，即在處理由多重失效所導(dǎo)致的超設(shè)計基準(zhǔn)事故時，在能動安全系統(tǒng)不可用的情況下，增設(shè)非能動安全措施以導(dǎo)出堆芯余熱并保證安全殼的完整性。與傳統(tǒng)M310相比，“華龍一號”以能動和非能動相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆應(yīng)急堆芯冷卻、堆芯余熱導(dǎo)出、安全殼熱量排出和堆芯熔融物滯留在壓力容器內(nèi)等功能，能動技術(shù)安全、成熟、可靠、高效的優(yōu)勢得以充分發(fā)揮，輔以非能動技術(shù)不依賴于外部動力的固有安全屬性，使“華龍一號”具有更高的安全性。

“華龍一號”能動加非能動安全系統(tǒng)設(shè)計中，非能動系統(tǒng)是以一種多樣化手段作為能動系統(tǒng)的備用和補(bǔ)充，而能動系統(tǒng)的可用性仍需置于首位予以保證。兩者互補(bǔ)結(jié)合有效提高了核電廠安全性，使“華龍一號”能夠滿足堆芯損壞頻率（CDF）小于10-6/堆·年，大量放射性釋放頻率（LRF）小于10-7/堆·年的安全目標(biāo)。

3結(jié)論

“縱深防御”是核電設(shè)計必須遵循的基本原則，是核電廠防止和減輕事故后果的重要手段，其始終貫穿于“華龍一號”安全有關(guān)的全部活動，以實(shí)現(xiàn)核電廠反應(yīng)性控制、堆芯余熱導(dǎo)出、放射性包容三項(xiàng)基本功能?！叭A龍一號”滿足國際國內(nèi)最新的安全要求，對中國核電自主創(chuàng)新和核電“走出去”具有里程碑式的歷史意義。