濱海壓水堆核電廠冷源安全研究

劉亞偉，包志彬，張 炎

（陽(yáng)江核電有限公司，廣東陽(yáng)江 529941）

2004年WANO（世界核電運(yùn)營(yíng)者協(xié)會(huì)）發(fā)布SOER（重要運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)報(bào)告）《SOER 2007-2冷卻水取水口堵塞》［1］，分析了2004年至2007年間發(fā)生的44起冷源事件，結(jié)果表明無(wú)論堆型和取水口如何配置，冷源事件仍在持續(xù)發(fā)生。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)部分核電廠發(fā)生了多起由于毛蝦、水母、海藻、漂浮垃圾等異物入侵取水系統(tǒng)，而造成海生物附著、鼓網(wǎng)堵塞等現(xiàn)象，迫使核電機(jī)組降功率或停機(jī)停堆，隨著類似經(jīng)驗(yàn)反饋的增多，冷源安全問(wèn)題愈發(fā)突出［2，3］，國(guó)家核安全局和國(guó)家能源局對(duì)此高度重視。

2016年4月，國(guó)家核安全局發(fā)布《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)》［4］，要求各核電廠認(rèn)真分析自身可能存在的問(wèn)題，做好類似事件的應(yīng)對(duì)措施。2020年12月，國(guó)家能源局南方監(jiān)管局印發(fā)《廣東、廣西、海南三省（區(qū)）電力安全生產(chǎn)專項(xiàng)整治三年行動(dòng)指導(dǎo)意見(jiàn)》［5］，要求開(kāi)展核電廠冷源安全治理工作，采取有效措施防范異物入侵引發(fā)停機(jī)停堆。

1 核電廠冷源特點(diǎn)

截至目前，國(guó)內(nèi)核電廠均建在沿海地區(qū)，其最主要原因是海水儲(chǔ)量豐富，可靠性更高。但與此同時(shí)，海生物種類繁多、數(shù)量龐大，為了防止海生物進(jìn)入核電廠取水系統(tǒng)，通常在進(jìn)水明渠設(shè)置若干道攔截網(wǎng)，用于攔截海生物和生活垃圾，經(jīng)過(guò)攔截和過(guò)濾后的海水進(jìn)入核電廠冷源系統(tǒng)，為核島和常規(guī)島設(shè)備提供冷卻。國(guó)內(nèi)某核電廠取水和冷源系統(tǒng)布置如圖1和圖2所示。

圖1 國(guó)內(nèi)某電廠攔截網(wǎng)布置Fig.1 Intercept network layout for a power plant

圖2 壓水堆核電廠冷源系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Intake cooling water layout of PWR

2 失去冷源的影響

雖然核電廠取水口完全堵塞的概率極低，但是作為理論分析，仍然假定一種工況：初始正常滿功率運(yùn)行，突發(fā)大規(guī)模海生物入侵導(dǎo)致全部取水口完全堵塞，電廠失去全部冷源［6-8］。

電廠失去冷源后，安全相關(guān)系統(tǒng)熱交換器入口溫度逐漸上升，核島相關(guān)設(shè)備熱量將無(wú)法導(dǎo)出，反應(yīng)堆自動(dòng)停堆，以減少熱量的產(chǎn)生。停堆后由于衰變的存在，熱量仍在持續(xù)產(chǎn)生，通過(guò)模擬機(jī)計(jì)算，停堆后的堆芯功率由2879 MW快速降低，2分鐘后下降速度減緩，20分鐘后堆芯仍有54 MW熱功率，此后衰變熱下降速度越來(lái)越緩慢。大量衰變熱量無(wú)法及時(shí)導(dǎo)出是導(dǎo)致核事故的最主要原因。

停堆后由于核島冷卻水溫度升高，導(dǎo)致主泵電機(jī)軸承溫度升高，最終主泵跳閘，主泵跳閘后一回路失去強(qiáng)迫循環(huán)，進(jìn)入自然循環(huán)，自然循環(huán)是一種非能動(dòng)循環(huán)，靠重力和密度差作為驅(qū)動(dòng)力，把堆芯余熱傳遞到蒸汽發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)余熱導(dǎo)出功能。自然循環(huán)可以持續(xù)不斷地導(dǎo)出堆芯余熱，保證堆芯安全。

主泵軸封失去冷卻，軸封注水溫度升高，最終可能導(dǎo)致機(jī)械密封損壞。ACPR1000核電機(jī)組設(shè)置有非能動(dòng)停車密封裝置，它由PEEK材料制成，這種材料能夠在溫度達(dá)到155℃以上時(shí)軟化變形，完全包裹軸封間隙，確保放射性不會(huì)通過(guò)主泵軸封釋放到安全殼內(nèi)。

核島冷卻水溫度升高后，乏燃料（經(jīng)過(guò)裂變反應(yīng)后從堆芯中卸下來(lái)的燃料）水池冷卻受到威脅，如果乏燃料水池得不到有效冷卻，水池溫度會(huì)逐漸升高，根據(jù)乏燃料貯存數(shù)量及卸料時(shí)間不同，硼水在幾十至幾百小時(shí)內(nèi)發(fā)生氣化。硼水蒸發(fā)導(dǎo)致水位逐漸降低，一旦乏燃料露出水面，乏燃料完全失去冷卻，最終將會(huì)導(dǎo)致乏燃料損壞變形，放射性將釋放到燃料廠房中。圖3表示了乏燃料水池升溫到100℃所需時(shí)間隨換料時(shí)間的變化。

圖3 乏燃料水池升溫到100℃所需時(shí)間Fig.3 The time required to heat up to 100℃

乏燃料水池溫度升高是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程。壓水堆核電機(jī)組設(shè)置了多種乏燃料水池補(bǔ)水方式，即便疊加全廠失電的極端情況下，仍能通過(guò)消防車或者燃油泵進(jìn)行補(bǔ)水，有效地保證了乏燃料水池的補(bǔ)水及冷卻。在福島核事故后，新機(jī)組增加了安全殼和乏燃料水池中長(zhǎng)期余熱排出系統(tǒng)，作為所有冷卻手段都失效后的備用，該系統(tǒng)通過(guò)空氣冷卻塔可以實(shí)現(xiàn)對(duì)乏燃料水池和安全殼的冷卻功能，大大提高了應(yīng)對(duì)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的能力［9］。

失去冷源后，相關(guān)廠房環(huán)境溫度無(wú)法保證，人員居留環(huán)境變得惡劣，重要儀控設(shè)備房間溫度升高，可能導(dǎo)致重要儀控設(shè)備損壞。為了保證設(shè)備和人員居留環(huán)境，壓水堆核電機(jī)組設(shè)置空氣冷卻制冷機(jī)，此設(shè)備無(wú)需冷卻水，通過(guò)空氣冷卻對(duì)核島相關(guān)廠房進(jìn)行制冷，能保證相關(guān)房間溫度在規(guī)定范圍內(nèi)。此外，可以通過(guò)安全殼噴淋系統(tǒng)冷卻器對(duì)核島冷卻水進(jìn)行反冷，熱量最終通過(guò)換料水箱傳遞到空氣中，從而保證核島冷卻水溫度不會(huì)升到不可接受的程度。失去冷源后主要設(shè)備溫升模擬機(jī)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

藥后30 d，30g/L甲基二磺隆4個(gè)劑量處理及對(duì)照藥劑（CK）對(duì)野燕麥的鮮重防效分別為82.32%，88.65%，92.88%，97.36%，88.65%；對(duì)雀麥的鮮重防效分別為85.74%，90.13%，94.67%，97.81%，91.22%（表3）。

表1 失去冷源后溫升計(jì)算結(jié)果Table 1 The calculated result of temperature change

通過(guò)上述分析可知，壓水堆核電機(jī)組全部失去冷源的概率極低，即便失去冷源會(huì)給機(jī)組帶來(lái)非常不利的影響，但是針對(duì)每種風(fēng)險(xiǎn)都設(shè)置了多重應(yīng)對(duì)措施，可以保證機(jī)組安全。

3 冷源相關(guān)事件分析

本文收集了2014年至2020年間國(guó)內(nèi)外16起冷源相關(guān)事件，對(duì)這些事件的發(fā)生時(shí)間、后果和致災(zāi)物進(jìn)行匯總，如表2所示。其中有8起事件導(dǎo)致停機(jī)、停堆，5起事件機(jī)組被迫降功率，3起事件襲擊了多機(jī)組，4起事件短時(shí)間內(nèi)對(duì)同一機(jī)組多次襲擊。這16起事件具有以下共同點(diǎn)：

表2 國(guó)內(nèi)外冷源事件統(tǒng)計(jì)Table 2 Intake cooling water event statistics

（1）致災(zāi)物種類與核電廠所處海域相關(guān)，黃海、渤海區(qū)域致災(zāi)物主要是水母，南海區(qū)域致災(zāi)物主要是毛蝦和棕囊藻；

（2）致災(zāi)物爆發(fā)與季節(jié)和天氣相關(guān)，夏季受水母和海地瓜影響事件較多，冬季受毛蝦和棕囊藻影響較多，惡劣天氣影響加??；

（3）冷源事件具有共模性，容易導(dǎo)致同一基地多機(jī)組同時(shí)受到襲擊，或者短時(shí)間內(nèi)多次襲擊同一機(jī)組，同一電廠的致災(zāi)物基本相同。

核電廠的冷源系統(tǒng)設(shè)置多道防護(hù)屏障，增強(qiáng)了對(duì)海生物和漂浮垃圾的攔截，分析這16起事件發(fā)現(xiàn)，目前核電廠冷源系統(tǒng)仍存在一些共性問(wèn)題：

（1）取水口攔污設(shè)施的設(shè)計(jì)缺乏系統(tǒng)性的技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。目前只在《核電廠海工構(gòu)筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》中涉及到攔污設(shè)施的一般規(guī)定和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有更詳細(xì)的技術(shù)指標(biāo)或規(guī)范進(jìn)行補(bǔ)充完善，也沒(méi)有在FSAR（最終安全分析報(bào)告）中進(jìn)行分析論證。

（3）缺乏對(duì)核電廠海域海生物的系統(tǒng)性調(diào)查，如海域內(nèi)海生物爆發(fā)情況及種類，爆發(fā)的時(shí)間及持續(xù)時(shí)長(zhǎng)等。大部分核電廠是在冷源受到威脅之后才采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。

為進(jìn)一步提高核電廠冷源安全性，本文建議從監(jiān)測(cè)、預(yù)防、處置三個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

3.1 監(jiān)測(cè)

通過(guò)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)、取水口定期巡檢監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感、水質(zhì)和水文監(jiān)測(cè)、反沖洗生物采集監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)雷達(dá)、水下視頻、聲納探測(cè)等可行有效的手段，針對(duì)不同的致災(zāi)物設(shè)立全面、全時(shí)的監(jiān)測(cè)手段，保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能引發(fā)取水系統(tǒng)堵塞的異常情況。并將這些監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)信息及時(shí)傳遞到主控制室，以便相關(guān)人員及時(shí)做出相應(yīng)的預(yù)防行動(dòng)［10］。

本文建議定期評(píng)估環(huán)境狀態(tài)的改變對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的影響。環(huán)境改變?cè)斐珊Ｑ蟓h(huán)境發(fā)生變化，可能造成海藻、海草和海生物的意外或突然增加，如果這些方面考慮不全面或者沒(méi)有定期評(píng)估，可能導(dǎo)致某些原有設(shè)計(jì)特征不足以減輕這些事件的發(fā)生。例如2020年6月筆帽螺入侵某電廠，這種直徑小于3 mm的海生物可以穿過(guò)電廠所有攔截裝置，造成過(guò)濾器堵塞，筆帽螺大范圍聚集成災(zāi)尚屬國(guó)內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)，屬于超出原設(shè)計(jì)范圍的新風(fēng)險(xiǎn)。某核電廠打撈出的筆帽螺如圖4所示。

圖4 筆帽螺Fig.4 Creseis acicula

3.2 預(yù)防

本文建議制定取水口攔污設(shè)施相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，加強(qiáng)冷源系統(tǒng)管理與維護(hù)，制定維修大綱和策略以及工作過(guò)程管理，維持冷卻水取水口建筑物、設(shè)備及相關(guān)系統(tǒng)的工作能力。

本文建議編制海生物風(fēng)險(xiǎn)日歷，根據(jù)不同時(shí)段提前采取應(yīng)對(duì)措施，攔截網(wǎng)設(shè)置應(yīng)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)日歷變化。攔截網(wǎng)要做到全斷面攔截，且各道攔截設(shè)施應(yīng)做好功能及攔截對(duì)象分析，利用粗網(wǎng)與細(xì)網(wǎng)、平面網(wǎng)與網(wǎng)兜組合設(shè)置。網(wǎng)的數(shù)量不宜太多，減少人員潛水作業(yè)，應(yīng)急網(wǎng)宜通過(guò)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)布放功能。核電廠應(yīng)及時(shí)對(duì)攔截網(wǎng)進(jìn)行清理，避免攔截網(wǎng)因過(guò)載而斷裂。表3列舉了南海地區(qū)冷源風(fēng)險(xiǎn)。

表3 南海地區(qū)冷源風(fēng)險(xiǎn)日歷Table 3 Risk in the South Sea

3.3 處置

致災(zāi)物應(yīng)急處置采用分級(jí)管理，并制定相關(guān)預(yù)案，按照既定預(yù)案采取防護(hù)行動(dòng)，在預(yù)案中需考慮惡劣天氣的影響。核電廠應(yīng)配備足夠數(shù)量和經(jīng)驗(yàn)的操縱人員和值班人員，明確向運(yùn)行人員說(shuō)明和傳達(dá)電廠保守決策的期望，任何情況下重點(diǎn)保障重要廠用水泵的安全，確保核安全設(shè)備的冷卻。

核電廠應(yīng)定期開(kāi)展冷源培訓(xùn)和演習(xí)，提高人員水平，確保人員能對(duì)冷卻水取水口堵塞或性能降級(jí)迅速做出正確的響應(yīng)，特別是要開(kāi)展全基地、多機(jī)組同時(shí)故障的聯(lián)動(dòng)演習(xí)。

4 結(jié)論

余熱導(dǎo)出對(duì)核安全起到了至關(guān)重要的作用，而冷源安全是實(shí)現(xiàn)余熱導(dǎo)出的重要保障。失去冷源會(huì)對(duì)壓水堆核電廠產(chǎn)生非常不利的影響，但不會(huì)導(dǎo)致放射性釋放的嚴(yán)重后果。冷源問(wèn)題是一項(xiàng)多學(xué)科技術(shù)的綜合應(yīng)用，需要各核電廠營(yíng)運(yùn)單位不斷對(duì)標(biāo)和取長(zhǎng)補(bǔ)短，才能筑起冷源安全的堅(jiān)固長(zhǎng)城。