“華龍一號”示范工程獨立驗證管理實踐

楊為城,祝 圓,薛峻峰

(福建福清核電有限公司,福建 福清 350318)

國家核安全局頒布的核安全法規(guī) 《HAF102核動力廠設(shè)計安全評價》及核安全導(dǎo)則《HAF102/17核動力廠安全評價與驗證》明確要求在核電項目設(shè)計階段應(yīng)組織開展安全評價的獨立驗證工作;福島事故后國家核安全局編制的《“十二五”期間新建核電廠安全要求 (征求意見稿)》對獨立驗證工作提出了更為明確的要求。獨立驗證是由營運單位組織,由一組熟悉核電廠設(shè)計,并熟悉安全分析和安全評價工作的專業(yè)人員對設(shè)計單位進(jìn)行的安全評價進(jìn)行審查,確認(rèn)安全評價是否滿足適用的安全要求[1],也是對重大技術(shù)方案的獨立第三方技術(shù)驗證。

福清核電5、6號機組作為 “華龍一號”全球首堆示范工程,設(shè)計上采用能動與非能動相結(jié)合的設(shè)計理念,考慮了超設(shè)計基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故預(yù)防與緩解措施,吸收福島核事故的經(jīng)驗反饋,采取相應(yīng)的安全改進(jìn)。按國家核安全局總體審評方案要求 “華龍一號”獨立驗證由福清核電有限公司組織,并以 “華龍一號”重要安全設(shè)計改進(jìn)可能產(chǎn)生的影響、保障運行安全的技術(shù)等為重點”。

本文以福清5、6號機組非能動安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng) (PCS)設(shè)計安全評價獨立驗證實驗項目為例,系統(tǒng)論述了 “華龍一號”首堆工程安全評價獨立驗證的工作流程和管理模式,包括驗證實施方式、項目選取原則、技術(shù)承包商選取、項目組織管理和實施、成果審評驗收等細(xì)則,并通過福清5、6號機組獨立驗證工作的順利有效推進(jìn)驗證了該管理模式的可行性。圖1為福清5、6號機組獨立驗證工作的主要步驟。

圖1 獨立驗證工作流程圖Fig.1 Independent verification flow chart

1 獨立驗證的方法

安全評價獨立驗證工作的要求主要有以下幾點:

1)核電廠營運單位應(yīng)在設(shè)計和建造過程中完成設(shè)計安全評價獨立驗證工作;

2)獨立驗證由營運單位組織實施,參與人員應(yīng)盡可能獨立于核動力廠的設(shè)計者和進(jìn)行安全評價的人員;

3)獨立驗證可采取與設(shè)計階段安全分析和評價類似的方式;

4)獨立驗證的范圍是報送國家核安全監(jiān)管部門報批的設(shè)計;

5)營運單位對獨立驗證負(fù)有完全責(zé)任。

根據(jù)導(dǎo)則的要求與建議,并結(jié)合相關(guān)設(shè)計單位和研究院所在核電設(shè)計安全分析和評價中所采用的方式,得出獨立驗證可以通過以下幾種方式開展。

1)實驗驗證:由核電廠運營單位組織獨立的一組專業(yè)人員,對本工程的重要安全設(shè)計進(jìn)行實驗驗證,主要通過縮小比例模擬實驗方式進(jìn)行;

2)計算分析:由核電廠運營單位組織獨立的一組專業(yè)人員通過計算機建模,對本工程的重要安全設(shè)計進(jìn)行計算分析和評價;

3)實驗見證:由核電廠運營單位組織對設(shè)計單位的重大實驗活動進(jìn)行現(xiàn)場獨立見證,監(jiān)督過程和結(jié)果,并撰寫見證報告。

對于一些創(chuàng)新性的重要安全系統(tǒng)設(shè)計的驗證,尤其是未經(jīng)過工程實踐檢驗的,應(yīng)作為重點驗證項目,采用實驗或計算分析的方式進(jìn)行,提高獨立驗證工作的獨立性和有效性。若采用實驗驗證,應(yīng)考慮開展實驗的外部條件,如技術(shù)力量、經(jīng)濟可行性、時間周期等,制定合適的實驗驗證方案;若采用計算分析,可考慮采用不同計算軟件或不同的建模方法對原設(shè)計進(jìn)行評價驗證。

2 獨立驗證項目管理與實踐

2.1 獨立驗證選題

獨立驗證的選題應(yīng)從機組技術(shù)特點、審評關(guān)注重點兩方面確定。對于技術(shù)技術(shù)特點,可通過查閱技術(shù)文件獲取,也可以通過與設(shè)計單位的技術(shù)交流來獲取更為全面的信息。業(yè)主單位根據(jù)技術(shù)特點初步確定獨立驗證的范圍后,應(yīng)深入開展與核安全監(jiān)管部門的溝通,同時梳理分析已提出的審評問題,找出核安全審評的的重點和監(jiān)管部門的關(guān)注問題,在此基礎(chǔ)上擬定獨立驗證選題和驗證方式,并就獨立驗證選題與監(jiān)管部門進(jìn)行充分的溝通,在獲得認(rèn)可以后方可進(jìn)入下一步實施工作,確保獨立驗證的選題滿足核安全審評要求。

具體項目驗證方式的選擇,應(yīng)結(jié)合技術(shù)可行性、進(jìn)度、費用等方面條件,以及潛在外委承包商技術(shù)能力和硬件條件,綜合考慮確定各項目的驗證方式。

在以上工作基礎(chǔ)上,為確定各項目統(tǒng)一管理要求,業(yè)主單位應(yīng)編制獨立驗證工作大綱,將獨立驗證的項目、驗證方式予以固化,同時提出獨立驗證的總體進(jìn)度、項目管理相關(guān)要求。

“華龍一號”的重要技術(shù)創(chuàng)新非能動系統(tǒng)配置包括非能動安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng) (PCS)、二次側(cè)非能動余熱排出系統(tǒng) (PRS)和堆腔注水冷卻系統(tǒng) (CIS),這些新增的非能動系統(tǒng)均是為了提高核安全性,并且屬于首次應(yīng)用于工程,因此在獨立驗證中作為重點系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行驗證。圖2為 “華龍一號”主要安全系統(tǒng)示意圖。

“華龍一號”延長了操縱員事故后不干預(yù)時間,提高電廠固有安全性,針對在一些典型事故工況下反應(yīng)堆設(shè)計特性,選取設(shè)計基準(zhǔn)事故蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂 (SGTR)、中破口 (LOCA)進(jìn)行事故分析。此外 “華龍一號”采用雙層安全殼,作為結(jié)構(gòu)設(shè)計上的重大創(chuàng)新,安全殼在極限工況下的承載能力也確定為重點驗證項目。另外選取科研試驗階段重要實驗項目進(jìn)行見證,作為獨立驗證的一種補充。“華龍一號”示范工程獨立驗證項目和驗證方式見表1。

圖2 “華龍一號”主要安全系統(tǒng)示意圖Fig.2 Main safety system of HPR1000

表1 福清5、6號機組獨立驗證項目清單及驗證方式Table 1 Independent verification projects in Fuqing 5&6

以PCS為例,在嚴(yán)重事故工況下,PCS建立安全殼內(nèi)外的自然循環(huán),將殼內(nèi)熱量導(dǎo)出到殼外,從而保證將安全殼內(nèi)壓力和溫度降低至安全水平,保持安全殼完整性。設(shè)計單位在科研階段已進(jìn)行了較深入的科研工作,包括大量的計算分析和自然循環(huán)模擬實驗。但同時該系統(tǒng)也是首次應(yīng)用于工程實踐,故作為重點驗證項目,在驗證方式選擇上,由于該系統(tǒng)原理上是依靠重力驅(qū)動的自然循環(huán)而發(fā)揮作用,因此優(yōu)先考慮實驗驗證方式來模擬自然循環(huán)過程。經(jīng)過調(diào)研了解,為驗證 “華龍一號”PCS系統(tǒng)設(shè)計的可行性,中核集團(tuán)在哈爾濱工程大學(xué)建設(shè)了 “PCS系統(tǒng)綜合性能驗證實驗裝置”,在該實驗裝置上,已完成了ACP1000和ACP100PCS性能驗證實驗。目前該實驗裝置仍然可用,且供電、供水及供氣等相關(guān)場地資源滿足實驗驗證要求,因此從技術(shù)可實施性、資金投入、驗證有效性等方面綜合考慮,確定通過模擬實驗的方式進(jìn)行PCS系統(tǒng)的獨立驗證。圖3為 “華龍一號”非能動安全殼冷卻系統(tǒng)流程圖 (單個系列)。

圖3 “華龍一號”非能動安全殼冷卻系統(tǒng)流程圖Fig.3 The flowchart of the passive contain ment heat removal system of HPR1000

2.2 獨立驗證技術(shù)方案確定

獨立驗證項目技術(shù)方案主要包括驗證的目的、實驗或計算方法、實驗工況或事故序列選取、實驗裝置或計算軟件系統(tǒng)說明、實驗或計算主要步驟等內(nèi)容。技術(shù)方案的確定可分為以下幾個步驟進(jìn)行:確定驗證目的和方法→編制技術(shù)規(guī)格書→確定技術(shù)外委承包商→聯(lián)合制定技術(shù)方案→通過NNSA專家審查→發(fā)布驗證技術(shù)方案。

業(yè)主單位根據(jù)驗證目的和工作內(nèi)容等制定各項目的技術(shù)規(guī)格書。技術(shù)規(guī)格書明確項目的工作范圍、驗證目的、承包商職責(zé)與資質(zhì)要求、管理與接口要求、文件要求、質(zhì)量保證、進(jìn)度要求、驗收要求等內(nèi)容。技術(shù)規(guī)格書是確定獨立驗證實施技術(shù)方案的第一步,是各項目后續(xù)工作開展的依據(jù)[2]。

在技術(shù)服務(wù)承包商選擇方面,對于實驗項目,考慮資金投入和進(jìn)度因素,優(yōu)先考慮有現(xiàn)成可利用實驗裝置 (加以改造)的單位進(jìn)行合作,同時應(yīng)注意項目參與人員的獨立性,并在技術(shù)規(guī)格書和合同中予以明確;對于計算分析項目,可以考慮開設(shè)核工程專業(yè)的高等院校、未參與本項目核工程科研設(shè)計單位,由于一些計算項目可能涉及到原設(shè)計單位的商業(yè)秘密,因此優(yōu)先考慮高等院校進(jìn)行合作。

在確定技術(shù)服務(wù)承包商后,承包商按照技術(shù)規(guī)格書要求與業(yè)主單位共同制定詳細(xì)的項目實施技術(shù)方案。此項工作牽涉驗證項目實施的最終效果,因此在技術(shù)方案初步確定后,應(yīng)組織外部專家,尤其是NNSA專家對技術(shù)方案進(jìn)行審查認(rèn)可至關(guān)重要,以確保驗證技術(shù)方案符合審評要求,為后續(xù)審評結(jié)果獲得認(rèn)可奠定基礎(chǔ)。

PCS系統(tǒng)獨立驗證項目采用實驗驗證的方法,在科研階段由總承包單位組織開展了全高度、全壓力的綜合驗證實驗?zāi)M實際運行參數(shù),確認(rèn)PCS設(shè)計的有效性。本次獨立驗證選擇與哈爾濱工程大學(xué)合作開展實驗研究工作,經(jīng)分析研究并與科研階段實驗開展情況進(jìn)行對比,共確定了包括設(shè)計工況、水位、阻力、低壓、SBO(全廠斷電)五大類工況,對原系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行較為全面的實驗驗證。圖4為位于哈爾濱工程大學(xué)的 “華龍一號”非能動安全殼冷卻系統(tǒng)實驗裝置。

2.3 獨立驗證實施過程管理

2.3.1 建立項目管理組織機構(gòu)

由于項目實施周期較長,成立專門的項目管理機構(gòu)有利于理順接口,順利推進(jìn)項目實施。PCS項目在項目實施大綱中明確了以業(yè)主人員擔(dān)任組長,承包商擔(dān)任技術(shù)負(fù)責(zé)人,并由雙方指定人員負(fù)責(zé)項目日常管理、質(zhì)量安全、實驗執(zhí)行、項目驗收等各項工作。

2.3.2 獨立驗證實施過程的管理和技術(shù)參與

實驗或計算分析過程中,業(yè)主應(yīng)從項目管理和技術(shù)參與兩方面對實施過程進(jìn)行管控。項目管理方面,側(cè)重于實施進(jìn)度控制、質(zhì)量管理、人員資質(zhì)審查、數(shù)據(jù)點記錄等工作。另外應(yīng)盡量深入技術(shù)工作的參與,通過深層次參與實驗過程,更好地了解系統(tǒng)設(shè)計原理,為系統(tǒng)設(shè)計改進(jìn)提出建議,并盡可能為后續(xù)的系統(tǒng)調(diào)試、運行規(guī)程編制等工作打下基礎(chǔ)。

圖4 “華龍一號”非能動安全殼冷卻系統(tǒng)實驗裝置Fig.4 The experi mental device for the passive contain ment heat re moval syste m of HPR1000

對于項目實施過程中的重大節(jié)點,應(yīng)組織審評或見證,尤其是應(yīng)邀請NNSA相關(guān)專家參加,在實施過程中消化解決審評部門關(guān)注的問題,避免后續(xù)審評階段再次出現(xiàn)遺留問題。

在PCS實驗開展過程中,業(yè)主派技術(shù)人員全程參與了驗證實驗,并邀請NNSA等外部專家對實驗前狀態(tài)檢查、部分實驗工況進(jìn)行了見證,確保實驗執(zhí)行符合技術(shù)文件要求。圖5為PCS實驗執(zhí)行主要步驟流程圖,并給出了業(yè)主在各階段工作中的工作側(cè)重點。

2.4 獨立驗證成果報告編制與項目驗收

實驗或計算分析完成后,編制實驗或計算分析報告,報告應(yīng)包括實驗數(shù)據(jù)分析或計算分析結(jié)果,并給出明確的驗證結(jié)論。對于實驗驗證項目其報告的主要內(nèi)容包括:項目綜述、研究目的、技術(shù)方案、實驗臺架設(shè)計、實驗工況、實驗步驟、實驗裝置調(diào)試情況、實驗執(zhí)行情況、數(shù)據(jù)分析結(jié)果、獨立驗證結(jié)論。

項目的驗收審查,包括承包商按照其內(nèi)部質(zhì)保體系的內(nèi)部驗收和業(yè)主單位的外部驗收。對于外部驗收,通常采用專家審查會的形式進(jìn)行。驗收審查的依據(jù)是項目技術(shù)規(guī)格書、外委合同、質(zhì)量管理文件和項目實施方案。驗收審查應(yīng)對項目技術(shù)規(guī)格書對相關(guān)的過程記錄文件進(jìn)行查閱,確認(rèn)其有效性,驗證分析結(jié)論的全面性和準(zhǔn)確性進(jìn)行審查。在此過程中仍然需要NNSA專家的參與,并根據(jù)專家的意見對驗證報告進(jìn)行修改完善,如有必要還需要根據(jù)專家意見補充開展計算分析或?qū)嶒灩ぷ?直至滿足驗收審查意見要求方可通過驗收審查。

圖5 PCS實驗執(zhí)行主要步驟流程圖Fig.5 Main step flowchart of PCSexperi ment

3 實施效果和評價

福清5、6號機組獨立驗證工作自2013年開始策劃至2017年7月,目前所有項目基本都已按計劃實施完成,取得了可信的驗證評價結(jié)果,獨立驗證的結(jié)果也驗證了原設(shè)計單位對相關(guān)設(shè)計安全評價的有效性,證明了 “華龍一號”在提高機組安全性方面的設(shè)計改進(jìn)能夠有效提高機組事故預(yù)防和緩解能力,提高核安全性能。各項目均順利通過了驗收審查,在項目實施過程中多次組織外部專家評審和見證,獲得了相關(guān)方認(rèn)可。同時在知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)方面也已取得一定成績,部分專利正在申報中。

仍以PCS項目為例,該項目于2016年4月份通過實施大綱審查,并于2016年7月28日完成了全部工況實驗,實驗過程符合技術(shù)文件要求。根據(jù)實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)分析得出,在超設(shè)計基準(zhǔn)事故工況下安全殼的長期排熱能力滿足設(shè)計要求,在電站發(fā)生超設(shè)計基準(zhǔn)事故(包括嚴(yán)重事故)時,PCS能夠?qū)踩珰毫蜏囟冉档椭量梢越邮艿乃?保持安全殼完整性,原設(shè)計單位對PCS系統(tǒng)設(shè)計安全評價的是可信、正確的[3]。

4 結(jié)束語

福清核電結(jié)合核安全法規(guī)要求、核安全審評情況和 “華龍一號”技術(shù)特點,制定了 “華龍一號”示范工程獨立驗證的管理體系,包括獨立驗證項目選取、驗證方式確定、承包商選擇、技術(shù)方案審查、項目實施過程管理、技術(shù)工作的參與、工作成果驗收等各個階段的工作要求。在福清核電5、6號機組獨立驗證工作實施過程中,各項技術(shù)環(huán)節(jié)均按照相關(guān)要求進(jìn)行管理,實踐證明該管理體系能夠有效保證獨立驗證工作的質(zhì)量滿足法規(guī)和項目技術(shù)要求,及時有效的管理和實時的監(jiān)控項目進(jìn)度,是確保獨立驗證工作順利實施的必備條件。獨立驗證工作的順利完成既可以滿足法規(guī)對獨立驗證工作的要求,同時也有助于營運單位更好履行核安全管理職能和安全評價獨立驗證的職責(zé),為 “華龍一號”首堆示范工程項目首次裝料申請和順利建成邁出了堅實的一步。同時本文提出的一套在建核電工程安全評價獨立驗證管理體系也可作為后續(xù)同類項目開展獨立驗證工作的參考,具有一定推廣價值。

[1]核動力廠安全評價與驗證:HAD102/17[S]．國家核安全局,2006.HAD 102/17:Safety evaluation and verification of nuclear power plant,NNSA,2006-6-5．

[2]顧健,等.福清核電一期工程安全評價的獨立驗證管理體系 [J]．核安全,2012(4)．Safety evaluation independent verification management system of Fuqing Nuclear Power Plant Unit 1&2[J]．Nuclear Safety,2012-4．

[3]福清 “華龍一號”非能動安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng) (PCS)獨立驗證分析評價報告:HEU-ACP1000-PCS-2016013[R]．哈爾濱工程大學(xué),2017．HEU-ACP1000-PCS-2016013,independent verification analysis and evaluation report of HPR1000 passive containment heat removal system[R]．2017-3,Harbin Engineering University．