冷源在核電廠的重要性探究

□劉紅元

一、引言

2018年4月，國(guó)內(nèi)某核電廠因海域海藻爆發(fā)，涌入取水口堵塞海水過(guò)濾網(wǎng)系統(tǒng)鼓型濾網(wǎng)，1、2號(hào)機(jī)組相繼緊急停運(yùn)。

2018年4月，國(guó)內(nèi)某核電廠2號(hào)機(jī)組處于功率運(yùn)行狀態(tài)，因2CFI032TF鼓網(wǎng)中高速電機(jī)振動(dòng)超限值，機(jī)組降功率至280MW。

2018年5月，國(guó)內(nèi)某核電廠3號(hào)機(jī)組B列鼓網(wǎng)因海生物堵塞導(dǎo)致電機(jī)間地面液位快速(沒(méi)過(guò)地面約10公分)，初步原因分析:海帶等雜物堵塞臨時(shí)濾網(wǎng)，并在水流的推動(dòng)力下，將臨時(shí)濾網(wǎng)推到靠近水流出口位置，造成出口封閉堵塞。

因此，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局、生態(tài)環(huán)境部、國(guó)防科工局四部委于2018年5月聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)核電運(yùn)行安全管理的指導(dǎo)意見(jiàn)》，文件中提出了“提升冷源保障水平”的指導(dǎo)意見(jiàn)，要求各運(yùn)行單位加強(qiáng)核電廠可能影響冷源系統(tǒng)安全的外部因素識(shí)別和分析，進(jìn)一步摸清致災(zāi)海生物及雜物的種類(lèi)、形式和形成規(guī)律，提高循環(huán)水取水口的攔污和清潔能力，建立有效的監(jiān)測(cè)、預(yù)警和響應(yīng)機(jī)制，制定應(yīng)急預(yù)案，提高快速響應(yīng)能力等。

二、核電廠冷源的設(shè)計(jì)

冷源系統(tǒng)是電站的循環(huán)水系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，英文名稱(chēng)為Main cooling water system。其主要作用是：向核島的安全廠用水用戶(hù)提供冷卻水、向常規(guī)島的凝汽器和輔機(jī)冷卻器提供冷卻水，是電站運(yùn)行的冷端系統(tǒng)。

冷源設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的要素是最終熱阱(UHS)的設(shè)計(jì)。最終熱阱是在反應(yīng)堆正常停堆或事故停堆(包括反應(yīng)堆失水事故(LOCA)在內(nèi))以后，為排出反應(yīng)堆衰變熱及電廠重要冷卻熱負(fù)荷而提供的確保冷卻水源。許多商用核電廠也依靠空冷(如噴水池和冷卻塔)作為最終熱阱功能的輔助手段，一定程度上支持冷卻水供給；非能動(dòng)核電廠的設(shè)計(jì)可能僅僅依靠大氣，在電廠瞬態(tài)和事故工況后立即導(dǎo)出反應(yīng)堆衰變熱。

截至目前，國(guó)內(nèi)核電廠均位于海濱，普遍采用以大海為最終熱阱(或稱(chēng)冷卻水源)的直流供水系統(tǒng)。大海作為取之不盡的冷卻水天然水源，是工藝用水的水源和安全廠用水的最終熱阱。壓水堆的冷卻水系統(tǒng)普遍采用單一海水一次通過(guò)熱交換設(shè)備的循環(huán)冷卻方案。部分堆型設(shè)計(jì)有空冷的輔助手段，或者采用非能動(dòng)的補(bǔ)充手段，以實(shí)現(xiàn)在核電廠冷源系統(tǒng)發(fā)生瞬態(tài)危機(jī)后的緊急投用，以緩解事件后果。

關(guān)于冷源系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)計(jì)，在我國(guó)國(guó)內(nèi)法規(guī)《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》HAF102和導(dǎo)則《核電廠最終熱阱及其直接有關(guān)輸熱系統(tǒng)》HAD102/09-1987中均有具體的要求。

在《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》HAF102-2016的“6核動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求”6.2.7中，關(guān)于“熱量向最終熱阱的傳輸”一共有3條要求：第一，在核動(dòng)力廠所有狀態(tài)下，都必須保證具有將熱量傳輸?shù)阶罱K熱阱的能力。第二，熱量傳輸系統(tǒng)必須具有足夠的可靠性，要求采用多樣化的最終熱阱或者多樣化的排熱途徑。第三，在比設(shè)計(jì)基準(zhǔn)自然災(zāi)害(由廠址危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)確定的)更嚴(yán)重水平下仍能夠?qū)崿F(xiàn)傳熱功能。而在2004年版的《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》HAF102的“6核動(dòng)力廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求”中6.2.8，關(guān)于“余熱向最終熱阱的輸送”的要求共有4條。

從新、老法規(guī)的文字描述對(duì)比上可以看出，新法規(guī)更加關(guān)注系統(tǒng)的可靠性，明確提出了多樣化的最終熱阱或者多樣化的排熱途徑的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，新法規(guī)也明確要求，要考慮在更嚴(yán)重水平下能夠?qū)崿F(xiàn)傳熱功能，而不僅僅是考慮自然事件和人為事件的影響。

隨著中國(guó)核電行業(yè)近二十年的大力發(fā)展，鑒于冷源系統(tǒng)(最終熱阱)對(duì)核安全和機(jī)組可用率的重大影響不斷得到業(yè)界的普遍共識(shí)，可以預(yù)計(jì)，在核安全導(dǎo)則《核電廠最終熱阱及其直接有關(guān)輸熱系統(tǒng)》新版本發(fā)布時(shí)，這些新的設(shè)計(jì)要求將得到進(jìn)一步的明確。

三、冷源事件頻發(fā)

電廠無(wú)論堆型和取水配置如何，該類(lèi)事件仍在持續(xù)發(fā)生，還影響到了電廠的安全和可靠性。由于冷源系統(tǒng)(包括最終熱阱)的設(shè)計(jì)，盡管是抗震一類(lèi)的構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備，但絕大多數(shù)為非核級(jí)設(shè)備。因此在電廠運(yùn)行過(guò)程，冷源事件頻發(fā)。盡管這些瞬態(tài)事件的發(fā)生，大部分沒(méi)有產(chǎn)生直接的核安全后果，但是對(duì)核電廠的可用性(經(jīng)濟(jì)性)指標(biāo)產(chǎn)生了較大的影響。

早在2005年，WANO分析了2004年以來(lái)發(fā)生的有關(guān)冷卻水取水口堵塞的44起事件，并發(fā)布了重要運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)報(bào)告(SOER_2007-2《冷卻水取水口堵塞》)。該報(bào)告分析了冷卻水取水口堵塞事件對(duì)安全系統(tǒng)及電廠可靠性的不利影響，研究了冷卻水取水口堵塞這一不利趨勢(shì)的直接原因和潛在因素：第一，取水口堵塞的安全重要性。認(rèn)為取水口構(gòu)筑物屬于非安全相關(guān)領(lǐng)域，沒(méi)有將對(duì)該領(lǐng)域內(nèi)設(shè)備問(wèn)題的處理放在足夠的優(yōu)先地位。第二，環(huán)境條件的改變。促成冷卻水取水口堵塞的環(huán)境因素是不斷變化的，氣候的周期性變化可以影響到電廠附近的氣象類(lèi)型和環(huán)境條件，無(wú)法預(yù)測(cè)電廠目前所處環(huán)境條件的改變。第三，監(jiān)測(cè)技術(shù)、預(yù)警和預(yù)測(cè)手段。環(huán)境條件日常監(jiān)測(cè)中的缺陷是取水口堵塞的促成因素。第四，設(shè)備設(shè)計(jì)和變更的不足。設(shè)計(jì)不足也是自動(dòng)緊急停堆和電廠受迫停堆的促成因素。第五，材料狀況和維修方案。冷卻水取水口構(gòu)筑物、設(shè)備和相關(guān)系統(tǒng)的材料狀況降級(jí)促使了取水口的堵塞，妨礙了電廠人員緩解這一狀況的有效性。

隨著我國(guó)核電事業(yè)的快速發(fā)展，冷源事件暴露出來(lái)的安全性問(wèn)題也早已引起了國(guó)家監(jiān)管部門(mén)的高度重視。2016年4月，針對(duì)我國(guó)核電廠發(fā)生的數(shù)起由于海洋生物或異物堵塞取水系統(tǒng)從而影響取水安全的事件，國(guó)家監(jiān)管部門(mén)組織了相關(guān)調(diào)研和分析。為做好類(lèi)似事件的應(yīng)對(duì)工作，國(guó)家核安全局發(fā)文《關(guān)于近期海洋生物或異物影響核電廠取水安全事件的通報(bào)》(國(guó)核安發(fā)[2016]91號(hào))，對(duì)各核電廠營(yíng)運(yùn)單位提出五條明確的建議。

四、強(qiáng)化冷源系統(tǒng)的安全性管理

近年來(lái)，各類(lèi)冷源事件在行業(yè)內(nèi)多次發(fā)生，也暴露出了一些問(wèn)題，如：對(duì)海洋環(huán)境背景了解不充分；電站取水口海域海水富氧化；個(gè)別電廠取水和過(guò)濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題等。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)核電廠一直密切監(jiān)視著外部環(huán)境變化對(duì)運(yùn)行機(jī)組和擴(kuò)建機(jī)組的影響，組織影響分析論證和相容性研究，持續(xù)不斷地進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，保證運(yùn)行機(jī)組的安全條件滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。但不可否認(rèn)，在冷源管理方面，各核電廠還有進(jìn)一步提高的空間。

WANO SOER已經(jīng)指出，許多核電廠認(rèn)為取水口構(gòu)筑物屬于非安全相關(guān)領(lǐng)域，沒(méi)有將對(duì)該領(lǐng)域內(nèi)的設(shè)備問(wèn)題的處理放在足夠的優(yōu)先地位。各核電廠應(yīng)該建立統(tǒng)一的冷源管理機(jī)構(gòu)，統(tǒng)籌解決冷源管理過(guò)程中突出的技術(shù)和管理問(wèn)題，如：主導(dǎo)核電廠海生物生態(tài)調(diào)查，建立預(yù)警報(bào)警機(jī)制；協(xié)調(diào)組織開(kāi)展跨機(jī)組的適應(yīng)性的分析、評(píng)價(jià)工作，制定和落實(shí)中、長(zhǎng)期的改進(jìn)措施。2018年8月，中國(guó)核電設(shè)備可靠性管理委員會(huì)關(guān)于核電廠冷源共性問(wèn)題專(zhuān)題會(huì)紀(jì)要(中國(guó)核電共管委紀(jì)要[2018]130號(hào))中要求：各電廠必須嚴(yán)格按照國(guó)家發(fā)改委能源局[2015]725號(hào)、[2018]75號(hào)文的要求，盡快成立冷源問(wèn)題應(yīng)對(duì)小組，明確主管領(lǐng)導(dǎo)及各處室職責(zé)，完善冷源管理制度，升版并演練冷源應(yīng)急預(yù)案。

核電廠的設(shè)備管理部門(mén)要高度重視海洋生物或異物對(duì)海水系統(tǒng)特別是安全重要廠用水系統(tǒng)的影響，結(jié)合有關(guān)案例，主動(dòng)識(shí)別電廠可能存在的冷源設(shè)計(jì)或建設(shè)問(wèn)題，通過(guò)改造、變更不斷增強(qiáng)設(shè)備的可靠性和系統(tǒng)的安全性。要主動(dòng)引入技術(shù)后援單位，利用相關(guān)海洋設(shè)計(jì)院所的技術(shù)力量，研究我國(guó)沿海海域海生物的產(chǎn)生、分布和變化規(guī)律。要積極采用先進(jìn)的監(jiān)測(cè)、預(yù)警設(shè)備，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)取水口海域水上、水下監(jiān)測(cè)全覆蓋，提高核電廠冷源危機(jī)的預(yù)警能力。

核電廠要強(qiáng)化內(nèi)部管理和監(jiān)督。要定期對(duì)取水構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行巡視、檢查，做好日常維護(hù)、清理和清於等工作。有針對(duì)性地開(kāi)展不定期的應(yīng)急演練，完善應(yīng)急預(yù)案。在應(yīng)對(duì)冷源系統(tǒng)的設(shè)備故障和外部危機(jī)時(shí),要按照多機(jī)組統(tǒng)一協(xié)調(diào)、相互配合的原則，積極主動(dòng)地采取恰當(dāng)?shù)母深A(yù)措施，以保證冷源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。安全、質(zhì)量等部門(mén)通過(guò)組織聯(lián)合的安全檢查、內(nèi)部監(jiān)督，識(shí)別出管理漏洞和技術(shù)不足，促進(jìn)核電廠內(nèi)部管理績(jī)效的持續(xù)改進(jìn)。