核電廠冷源安全分析

孔凡鵬 孔壓娥 張會峰

摘 要：冷源安全是核電廠的生命線。本文通過國內(nèi)外核電廠冷源安全事件的典型案例進行分類介紹，并分別對海生物類、固體廢物類、冷源相關系統(tǒng)設備故障類對國內(nèi)某核電廠冷源安全現(xiàn)狀作出評價。最后從核電廠設計、對始發(fā)事件的識別和研究、變更改造和提升應急響應能力四個方面給出提高電廠冷源安全的合理化建議。

關鍵詞：冷源安全;堵塞;應對措施

0 引言

冷源的定義為向其放熱而不改變其自身溫度的熱庫，我國運行及在建核電廠的最終冷源均為海水。冷源安全可靠的運轉是核電廠正常運行的前提和必要條件，如果冷源失效就意味著堆芯熱量無法排出致使燃料原件過熱，進而可能導致一回路壓力邊界失去完整性而引發(fā)核安全事故。例如，2011年3月發(fā)生的福島核事故就是由于地震引發(fā)海嘯而使應急柴油機無法正常運轉導致冷源無法供應，最終導致機組爆炸的核安全災難[1]。在2004年至2008年間，全球核電廠發(fā)生取水口堵塞事件就達61起，其中80%的事件導致機組降功率或停堆，超過20%的事件直接對核電廠安全相關系統(tǒng)造成影響[2]。

1 核電廠冷源安全隱患介紹及分析

依據(jù)國家核安全局批準發(fā)布的核安全導則《核電廠最終熱肼及其直接有關的輸熱系統(tǒng)》（HAD102/09），核電廠在設計最終熱肼（即冷源）及其相關的系統(tǒng)之初就應該考慮下列外部事件、內(nèi)部事件及可能發(fā)生的組合事件。

1.1 外部事件

核電廠冷源可能發(fā)生的外部事件有：（1）喪失廠外電源;（2）水壩失效;（3）爆炸;（4）飛機墜毀;（5）船舶沖撞;（6）地震;（7）極端的氣象和自然條件;（8）生物現(xiàn)象。

核電廠雖在機組設計、廠址選擇、工程施工、設備采購安裝過程中對上述假設始發(fā)事件給予了充分的考慮，但近年來由于外部事件引起核電機組停機停堆或者降功率運行的事件時有發(fā)生，國內(nèi)某核電廠（簡稱A核電廠）應關注的外部事件有：船舶沖撞（曾在大亞灣核電廠發(fā)生）、極端氣象和自然條件（曾在海南昌江核電發(fā)生由于臺風導致取水口垃圾淤積而引發(fā)運行事件）、生物現(xiàn)象（曾在國內(nèi)外電廠大量發(fā)生此類事件）。

1.2 內(nèi)部事件

設計時應該考慮的內(nèi)部事件有：（1）火災;（2）內(nèi)部水淹;（3）飛射物和承壓部件破損;（4）部件誤動作和運行人員誤操作。

內(nèi)部事件應受到電廠運營單位足夠的重視，以上四類內(nèi)部事件的發(fā)生都有較大的可能性。其中內(nèi)部水淹引發(fā)的事件較多發(fā)生在機組調(diào)試階段，在福清核電、海南核電和秦山核電廠都有發(fā)生。

2 冷源安全事件分析

通過對近年發(fā)生的典型的冷源安全事件進行分析，分別就海生物類、固體廢物類、冷源相關系統(tǒng)設備故障類三類冷源事件分了介紹，分析事件產(chǎn)生的原因。

2.1 海生物類

引起安全事件的海生物包括海洋植物和海洋動物。近幾年發(fā)生多起如水草、海地瓜、水母、海蝦等海生物由于爆發(fā)性涌入冷源相關系統(tǒng)而使得核電廠機組降功率運行，甚至停機挺堆的運行事件。下面就幾個典型事例進行分析：

（1）法國CRUAS核電廠4號機組喪失冷源事件。2009年12月1日-2日法國CRUAS核電廠因為電廠取水河流上游大壩放水，增加了河流流量，隨水流帶來了大量加拿大伊樂藻（由平時的5m3/month增長至50m3/month）。事件產(chǎn)生的安全方面的重要影響包括4號機組喪失全部熱阱5個小時;1、2、3號機組喪失部分重要廠用水系統(tǒng)。潛在安全影響是假設情況惡化，能夠?qū)е滤袡C組熱阱喪失，在這種情況下，機組會有熔堆風險。造成該事件的直接原因是取水河流流量增加進而攜帶的藻類數(shù)量增加。電廠對藻類的清理能力不足造成堵塞狀況惡化。（2）寧德核電廠3號機組海生物入侵導致停堆運行事件。2015年8月7日-8日大量海地瓜爆發(fā)性涌入寧德核電3號機取水口，進入鼓網(wǎng)，并聚集在鼓網(wǎng)內(nèi)，造成鼓網(wǎng)壓差高引發(fā)循環(huán)水泵跳閘，使得3號機組停機，繼而因高功率下凝汽器不可用而緊急停堆;后續(xù)因輔助給水系統(tǒng)（8ASG）除氣器故障，造成輔助給水箱失去補水，反應堆被迫向余熱排出系統(tǒng)冷卻的正常冷停堆模式（NS/RRA）后撤。冷源應急響應預案不完善（取水口攔污能力不足、海生物入侵造成鼓網(wǎng)壓差高導致一臺循環(huán)水泵跳閘后未能及時有效的降負荷控制機組、主動停堆）是本次事件緊急停堆的主要原因。對雙機組設計但單機組運行時的機組共用核安全輔助設施的可用性管理存在不足，風險管理不到位是本次事件反應堆狀態(tài)后撤的重要原因。（3）紅沿河核電廠大量水母涌入循環(huán)水過濾系統(tǒng)取水口導致1、2號機組停堆運行事件。2014年7月21日-22日，大量體型較小水母爆發(fā)性涌入紅沿河核電廠循環(huán)水過濾系統(tǒng)取水口，通過細柵格后進入鼓型濾網(wǎng)，與其他細小生物連成膜狀物，造成鼓型濾網(wǎng)壓差高導致機組停機停堆。引發(fā)事件的主要原因：核電廠對周邊海域環(huán)境的認識不足;沒有應對海生物大規(guī)模爆發(fā)的攔污設施，且未能根據(jù)實際情況及時改進;冷源小組未有效運作。

針對以上三起較為典型的事件分析得知：1）核電廠未能就應對海生物入侵的措施實際給予充分考慮;2）對核電廠附近海域的海生物習性掌握不足，對海生物入侵，未建立有效的監(jiān)測、預警和響應機制，應急響應機制不夠完善;3）核電廠對大量爆發(fā)的海生物清理能力不足，設備和人員的準備不夠充分;4）核電廠對設施的可用性管理存在不足。

2.2 固體廢物類（垃圾、麥秸桿、小石子）

（1）田灣核電廠海水取水口麥秸桿堵塞運行事件。2007年7月9日-11日，田灣核電廠海水取水口出現(xiàn)大量麥秸桿，超出了海水取水明渠的攔截和防護能力，引起海水取水口堵塞，導致海水取水的水頭損失增大，供給汽輪機冷凝器的海水冷卻水水量下降，海水循環(huán)水泵入口（消波池）液位降低，為減少循環(huán)冷卻水的使用量，降低取水的水頭損失，保證取水和用水重新達到平衡，兩臺機組各自切除了一臺海水循環(huán)水泵，并將其余海水循環(huán)水泵轉為低速運行;同時，由于通過汽輪機凝汽器的海水冷卻水流量下降，導致凝汽器真空下降，為保證凝汽器真空，田灣核電兩臺機組降功率運行。在整個事件過程中外海取水未喪失，為核電機組供應安全廠用水的前池始終存在正常補水，電廠最終熱阱沒有受到威脅。但引起田灣核電兩臺機組降功率運行，造成了一定的經(jīng)濟損失。（2）福清核電廠3號機組調(diào)試期間重要廠用水系統(tǒng)貝類捕集器重復維修，頻繁發(fā)生壓差報警事件2016年3月23日-6月29日，福清核電廠3號機組先后5次由于碎石子堵塞貝類捕集器濾網(wǎng)而產(chǎn)生壓差高報警，每次報警都需要進行濾網(wǎng)清理，其中最后一次發(fā)現(xiàn)貝類捕集器的反沖洗管線被堵死。事件原因是：3、4號機組取水明渠主要采用爆破開挖，取水明渠底部由于未清理干凈而殘余很多碎石子，隨水流進入重要廠用水系統(tǒng)，最終堵塞貝類捕集器。貝類捕集器反沖洗管線堵死的原因是反沖洗管道閥門由于閥門指示開度與實際開度不符導致閥門未能全開使得水流速降低，進而使碎石子沉積并堵塞管道。（3）昌江核電廠2號機組臺風期間雜物堵塞CFI鼓網(wǎng)觸發(fā)反應堆自動停堆事件。2016年10月19日，昌江核電廠2號機組，由于臺風“莎莉嘉”影響，大量沉積在海底的雜物（草根、樹葉、塑料袋等）以及海藻、小魚被大風引起的海浪攪動，進入取水通道，導致循環(huán)水過濾系統(tǒng)鼓網(wǎng)堵塞，循環(huán)水泵跳閘，觸發(fā)汽輪機跳閘，疊加反應堆功率大于10%FP，反應堆自動停堆。事件的主要原因：臺風引發(fā)海浪攪動攜帶雜物涌入取水明渠，昌江核電廠取水明渠防波堤為直堤，消波能力差，最終導致運行事件。

針對以上三起較為典型的事件分析得知：1）核電廠取水口附近及取水渠里的海洋垃圾對冷源安全造成威脅，應及時清理;2）部分核電廠對取水明堤的設計存在缺陷，極端氣候條件下應對能力不足;3）在建機組的取水明渠建設產(chǎn)生建筑垃圾，對在運行和調(diào)試的機組的冷源安全造成影響，應盡量避免;4）海洋垃圾的爆發(fā)性涌入具有不確定性。

2.3 冷源相關系統(tǒng)設備故障類

秦山第二核電廠3號機組循環(huán)水過濾系統(tǒng)鼓網(wǎng)銷子斷裂，常規(guī)島生水系統(tǒng)進氣導致機組降功率運行事件2011年6月20日，因錢塘江上游水庫放水導致大量雜物垃圾堆積并進入取水口，同時由于循環(huán)水過濾系統(tǒng)格柵除污機運行效果不佳，鼓網(wǎng)附著大量水草雜物，鼓網(wǎng)內(nèi)外水位差過大，以及疲勞損傷的累積，導致鼓網(wǎng)銷子斷裂停止轉動，海水流量下降;因常規(guī)島生水系統(tǒng)進氣（由循環(huán)水泵出口取水），常規(guī)島閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)溫度快速上漲，3號機組被迫從660MWe降功率到350MWe，停運循環(huán)水B泵進行檢修處理。在鼓網(wǎng)故障修復后，因進水口雜物堆積依然嚴重，常規(guī)島生水系統(tǒng)再次進氣，機組無法維持滿功率運行，到6月24日海水雜物影響已經(jīng)較小，3號機組恢復滿功率運行。

事件的主要原因：特殊天氣條件下錢塘江上游水庫泄洪導致海水中飄浮的雜物過多，水草雜物堵塞導致循環(huán)水流通不足、循環(huán)水泵入口吸氣;疲勞損傷和循環(huán)水系統(tǒng)鼓網(wǎng)內(nèi)外水位差過高導致鼓網(wǎng)銷子斷裂;格柵除污機運行性能不佳。

3 A核電廠冷源安全分析

以國內(nèi)A核電廠為例，針對3類典型事件，分別開展適應性分析：

3.1 海生物類

A核電廠根據(jù)海洋生物調(diào)查情況，編制了《臨近海域海洋生物對A核電廠海水取水安全影響的調(diào)查分析與評價方案》，報告根據(jù)優(yōu)勢物種和其他電廠堵塞生物等情況，初步梳理了可能造成福清核電廠取水口堵塞的海洋生物，并對其進行風險等級劃分，并針對主要威脅生物提出了初步的預警方法與分類響應措施。認為：

（1）A核電廠海域水母類在浮游動物中不占主導地位，但春季數(shù)量較多，有可能大規(guī)模爆發(fā)，建議在春季加大對取水口的排查，發(fā)現(xiàn)較多水母類生物時，及時進行清理;（2）鄰近海地瓜數(shù)量極少，可暫不考慮海地瓜的對取水口造成堵塞;（3）電廠周圍海域5公里范圍內(nèi)有較大面積的海帶養(yǎng)殖場，在春季收獲季節(jié)，有可能會對取水口帶來安全隱患，應加大對取水口的排查力度。

3.2 固體廢物類（垃圾、麥秸桿、小石子）

A核電廠海水取水海域附件沒有麥秸稈，故麥秸稈堵塞CFI系統(tǒng)的可能性可以不做考慮。

碎石子影響到重要廠用水系統(tǒng)有效運轉的事件在A核電廠有發(fā)生，應經(jīng)驗反饋到后續(xù)機組的安裝、調(diào)試中去，并對貝類捕集器進行技術改造，降低堵塞風險。

昌江核電停堆事件中取水明渠防波堤設計為直堤，消浪能力差是導致事件的根本原因，附近海域有大量垃圾且未及時清理是促成原因。A核電廠取水明渠在設計上已考慮到直堤的缺點，但應對取水明渠及附近的海洋垃圾定期進行掃測和清理。

3.3 冷源相關系統(tǒng)設備故障類

秦山第二核電廠鼓網(wǎng)的驅(qū)動原理是，電機通過三角帶傳動，帶動齒輪減速機，齒輪減速機的輸出端通過聯(lián)軸器驅(qū)動鼓網(wǎng)軸轉動（使用安全剪斷銷來實現(xiàn)電機過流保護）。而A核電廠鼓網(wǎng)的驅(qū)動原理是，電機直接驅(qū)動蝸輪蝸桿減速機;蝸輪蝸桿減速機的輸出端通過聯(lián)軸器驅(qū)動鼓網(wǎng)軸轉動（沒有采用安全剪斷銷，而是采用電器控制來實現(xiàn)過流保護）。兩電廠鼓網(wǎng)安全保護方式不同。

4 核電廠冷源安全應對措施

4.1 設計是關鍵

（1）核電廠設計單位在各電廠設計之初應對福島核事故、各類冷源安全事件進行經(jīng)驗反饋，在初始設計時給予考慮，避免由于設計不符合要求不能適用于特定的廠址條件。（2）對冷源安全起重要作用的設備，需因地制宜，根據(jù)廠址條件，選擇合適的可靠性高的設備。

4.2 加強對始發(fā)事件的識別和研究

（1）應定期對核電廠涉及冷源安全的構筑物、設備和相關系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)進行更新，進行趨勢分析，設別并分析可能發(fā)生的冷源安全始發(fā)事件。（2）核電廠應定期對附近海域開展海生物影響分析，注意其可能的爆發(fā)季節(jié)和條件，做好對應監(jiān)控，及時準確識別生物種類，發(fā)現(xiàn)有潛在堵塞生物時應及時采取應對措施，做好應急處理預案，及時處理。（3）建立有效監(jiān)測系統(tǒng)實時獲取風向、風速、溫濕度等氣象數(shù)據(jù)并傳輸至主控和應急指揮中心，濱海電廠與國家海洋局預報中心簽訂協(xié)議，每日向應急管理人員、運行人員報送24-72小時電廠前沿海域和附近海域風速、風向、浪向、浪高等海域氣象預報信息。（4）通過開發(fā)機器人等手段，加強對取水口附近及取水渠內(nèi)海生物密度、海洋垃圾、水底泥沙等情況的監(jiān)測。如有需要及時清理。（5）做好取水口打撈雜物的形態(tài)和數(shù)量的分析工作，結合環(huán)境因素進行預防處理。（6）與同行電廠建立有效交流機制，進行經(jīng)驗反饋和經(jīng)驗交流。（7）針對冷源相關系統(tǒng)和設備，制定監(jiān)督計劃，按期開展系統(tǒng)監(jiān)督，對系統(tǒng)和設備的可靠性進行評價。

4.3 運行電廠加強檢修策略和變更改造

（1）對于多機組共用的取水明渠，在取水明渠端口設置人字形升降濾網(wǎng)，既增加海生物防御能力，也便于在建機組由于工程施工船舶進出。（2）對于冷源相關關鍵設備（如攔污柵、旋轉濾網(wǎng)、濾網(wǎng)沖洗系統(tǒng)、陰極保護、液位儀控設備、化學處理設備以及保護回路）進行定期的維護和試驗。及時發(fā)現(xiàn)問題，經(jīng)過設計審查，為提高系統(tǒng)和設備可靠性進行變更改造。（3）檢查維護工作應選在堵塞潛在風險最小的時間段。

4.4 提升響應能力

（1）遵循“安全第一，預防為主，綜合治理”的方針，堅持防御和救援相結合的原則。統(tǒng)一領導、分工負責、加強聯(lián)動、快速響應，最大限度地減少突發(fā)事件造成的損失，盡快限制內(nèi)部故障的發(fā)展，消除故障根源并解除對人身和設備的威脅。核電廠應建立完善的應急組織體系及應急預案，有效提高應急響應和事故處理能力。（2）制定應急預案，納入電廠應急計劃，相關部門和人員責任明確，定期開展應急演習，對演習過程中發(fā)現(xiàn)的問題，及時總結并制定相信的改善措施，提高事故處理能力。（3）編制響應的事故處理規(guī)程，與離電廠較近且有資質(zhì)的打撈單位簽訂合同，事故發(fā)生時有效配合，降低事故影響。（4）操縱員模擬機培訓中考慮冷源堵塞場景，并按照培訓計劃定期看展培訓工作。

5 結語

核電廠冷源安全的重要性不言而喻，直接影響到機組安全和核安全，應給與高度重視。冷源安全事件及安全隱患不管是在同行電廠還是福清核電廠都有較高的發(fā)生概率和頻度，且發(fā)生的原因很多，不確定性很大。通過對已發(fā)事件分析，結合A核電廠自身條件，提出改進和完善的措施和建議是相當有必要的。也對后續(xù)新建機組具有一定的參考意義。

參考文獻

[1] 張忠岳.福島核事故引發(fā)的若干思考[J].核電安全，2012，5（4）：380-383.

[2] 阮國萍.核電廠取水口堵塞原因分析與應對策略[J].核動力工程，2015，36（S1）：151-154.