三代核電廠過濾排放系統(tǒng)功能定位分析

劉 靜，王高鵬，牛世鵬，喻新利

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

安全殼是包容核電廠放射性產(chǎn)物的最后一道屏障。二代改進(jìn)型核電廠為應(yīng)對(duì)安全殼超壓威脅，保證安全殼的完整性，設(shè)置了安全殼過濾排放系統(tǒng)。在嚴(yán)重事故期間，為防止安全殼晚期超壓失效，通過主動(dòng)卸壓的方式排出安全殼內(nèi)的大氣，保證安全殼壓力低于其承載限值。同時(shí)，安全殼過濾排放系統(tǒng)中的過濾裝置，使得排放到環(huán)境中的放射性物質(zhì)是有限的[1]。

國內(nèi)二代改進(jìn)型壓水堆核電廠以及自主研發(fā)的三代核電廠普遍采用具有文丘里水洗器和金屬纖維過濾器的安全殼過濾排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[2,3]。在國外三代核電廠如美國AP1000和法國EPR的設(shè)計(jì)中，基于嚴(yán)重事故下熔融物滯留措施和安全殼熱量導(dǎo)出措施的設(shè)計(jì)考慮，并沒有設(shè)置專設(shè)的安全殼過濾排放系統(tǒng)。盡管如此，基于利益-代價(jià)分析，AP1000核電廠設(shè)計(jì)中為在安全殼非能動(dòng)熱量導(dǎo)出失效或壓力容器內(nèi)熔融物滯留(IVR)失效的極端情況下預(yù)留了利用現(xiàn)有管線從安全殼向乏燃料水池排放氣體的接口。

二代改進(jìn)型核電廠設(shè)計(jì)建造期間，國內(nèi)法規(guī)沒有對(duì)嚴(yán)重事故專用緩解系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，核電廠的嚴(yán)重事故緩解主要依靠專設(shè)安全設(shè)施的功能擴(kuò)展，安全殼晚期超壓風(fēng)險(xiǎn)主要依靠安全殼噴淋系統(tǒng)應(yīng)對(duì)。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故與嚴(yán)重事故的應(yīng)對(duì)措施由于存在較高的相關(guān)性，安全殼晚期超壓風(fēng)險(xiǎn)較大。而安全殼過濾排放系統(tǒng)的設(shè)置，有效降低了安全殼晚期超壓風(fēng)險(xiǎn)。

HAF102—2016《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》中增加了關(guān)于設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況的設(shè)計(jì)要求，核電廠縱深防御層次出現(xiàn)了新的變化。在縱深防御第四層次提出實(shí)際消除目標(biāo)，要求可能導(dǎo)致早期放射性釋放或者大量放射性釋放的事件序列被實(shí)際消除[4]?；诖四繕?biāo)，要求必須在工程判斷、確定論和概率論評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上得出一套設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況。設(shè)計(jì)必須考慮這些設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況來確定額外的事故情景，并針對(duì)這類事故制定切實(shí)可行的預(yù)防和緩解措施。

三代核電廠設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況的考慮及嚴(yán)重事故專用的預(yù)防和緩解措施的設(shè)計(jì)，降低了安全殼超壓風(fēng)險(xiǎn)，因此安全殼過濾排放系統(tǒng)的功能及定位需要重新分析和明確。

1 安全殼過濾排放系統(tǒng)及在二代改進(jìn)型電廠的功能定位

我國核電廠設(shè)置安全殼過濾排放系統(tǒng)起始于大亞灣核電廠，引進(jìn)法國技術(shù)，安裝了沙堆過濾器。自嶺澳二期開始，為進(jìn)一步提高過濾效率，加強(qiáng)熱量導(dǎo)出能力，安裝了改進(jìn)的濕式安全殼過濾排放系統(tǒng)，系統(tǒng)示意圖如圖1。

圖1 濕式安全殼過濾排放系統(tǒng)示意圖Fig.1 The schematic of containment filtered venting system

安全殼內(nèi)大氣經(jīng)過安全殼過濾排放系統(tǒng)進(jìn)口管線至兩道安全殼隔離閥，然后經(jīng)過一套過濾組合裝置(包括文丘里水洗器和金屬纖維過濾器)，再經(jīng)反沖洗閥、限流孔板和爆破膜排放至煙囪。通過文丘里水洗器和金屬纖維過濾器的兩級(jí)過濾，除了有效滯留放射性氣溶膠外，對(duì)于分子碘和有機(jī)碘也具有高度的滯留效率。

安全殼過濾排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是防止嚴(yán)重事故后由于熔融堆芯與混凝土相互作用而產(chǎn)生的不凝結(jié)氣體的累積造成安全殼大氣緩慢升壓，導(dǎo)致安全殼晚期超壓失效。由于早期沒有對(duì)嚴(yán)重事故專用緩解系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，二代改進(jìn)型核電廠的嚴(yán)重事故緩解主要依靠專設(shè)安全設(shè)施的功能擴(kuò)展，安全殼晚期超壓風(fēng)險(xiǎn)主要依靠安全殼噴淋系統(tǒng)應(yīng)對(duì)。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故與嚴(yán)重事故的應(yīng)對(duì)措施由于存在較高的相關(guān)性，安全殼晚期超壓風(fēng)險(xiǎn)較大。考慮安全殼過濾排放系統(tǒng)的事故緩解功能后，二代改進(jìn)型核電廠的釋放類如圖2所示。安全殼過濾排放系統(tǒng)作為安全殼卸壓手段，有效的降低了安全殼晚期超壓風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 二代改進(jìn)型核電廠釋放類結(jié)果Fig.2 The frequency of radioactivity categories in Gen Ⅱ+NPP

安全殼過濾排放系統(tǒng)通過主動(dòng)卸壓方式防止安全殼緩慢超壓導(dǎo)致的失效，同時(shí)兩級(jí)過濾也將放射性釋放量最小化。對(duì)于二代改進(jìn)型核電廠，安全殼過濾排放系統(tǒng)是必不可少的嚴(yán)重事故緩解措施。

2 三代核電廠縱深防御要求及安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

HAF102—2016《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》中調(diào)整了電廠設(shè)計(jì)中縱深防御層級(jí)的目標(biāo)，如表1所示。在縱深防御第四層提出設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況的概念，并納入設(shè)計(jì)范圍；提出實(shí)際消除目標(biāo)，要求可能導(dǎo)致早期放射性釋放或者大量放射性釋放的事件序列被實(shí)際消除。

表1 縱深防御各層設(shè)計(jì)目標(biāo)及設(shè)計(jì)措施Table 1 Objective and design measures of levels of defense-in-depth at various levels

為滿足該法規(guī)要求，三代核電廠在設(shè)計(jì)考慮了設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況，針對(duì)需要“實(shí)際消除”的事故工況，設(shè)置了一系列可靠、有效的嚴(yán)重事故緩解措施，如表2所示。其中為應(yīng)對(duì)喪失安全殼長期排熱導(dǎo)致的安全殼晚期超壓失效，電廠設(shè)計(jì)了非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)。通過非能動(dòng)方式，將設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況下安全殼內(nèi)的熱量排出。除此之外，三代核電廠還保留有安全殼過濾排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況的考慮，安全殼長期階段的熱量導(dǎo)出可用依靠非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)，安全殼過濾排放系統(tǒng)需要重新分析其功能及定位。

表2 嚴(yán)重事故預(yù)防和緩解措施Table 2 Prevention and mitigation measures of severe accidents

3 三代核電廠安全殼過濾排放系統(tǒng)功能定位分析

安全系統(tǒng)的功能定位，主要基于縱深防御目標(biāo)及設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析。安全殼過濾排放系統(tǒng)的功能為應(yīng)對(duì)安全殼晚期超壓，在安全殼壓力達(dá)到嚴(yán)重威脅前通過主動(dòng)卸壓的方式，保證安全殼的完整性。因此分別從安全殼晚期超壓及其應(yīng)對(duì)措施的確定論分析，以及縱深防御第四層次的安全目標(biāo)要求兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

基于概率論、確定論分析和工程經(jīng)驗(yàn)，確定出典型安全殼超壓嚴(yán)重事故序列，包括全場斷電事故(SBO)、安全殼內(nèi)主蒸汽管道斷裂事故(MSLB)和冷卻劑系統(tǒng)主管道大破口事故(LLOCA)。為包絡(luò)最嚴(yán)苛的超壓風(fēng)險(xiǎn)，假設(shè)快速卸壓和堆腔注水系統(tǒng)均可用，非能動(dòng)安全殼排熱系統(tǒng)不可用，并采用MAAP程序?qū)@些序列進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)表3中的分析結(jié)果，非能動(dòng)安全殼排熱系統(tǒng)有效的情況下，72 h內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)安全殼超壓。非能動(dòng)安全殼排熱系統(tǒng)失效的情況下，事故后24 h內(nèi)安全殼峰值壓力最高為0.62 MPa.a，遠(yuǎn)低于安全殼失效概率曲線中5%失效概率對(duì)應(yīng)的安全殼壓力0.9 MPa.a。安全殼壓力到達(dá)過濾排放系統(tǒng)開啟整定值0.7 MPa.a所需時(shí)間最小約為31 h。由于三代核電廠的自由容積較大，即使在最為包絡(luò)的嚴(yán)重事故工況下，安全殼超壓進(jìn)程依舊緩慢。

表3 典型安全殼超壓事故序列分析結(jié)果Table 3 The analysis results of typical containment overpressure sequences

參考《“華龍一號(hào)”融合方案核電項(xiàng)目安全審評(píng)原則[5]》以及IAEA TECDOC—1791《Consideration on the Application of the IAEA Safety Requirements for the Design of Nuclear Power Plants[6]》，安全殼晚期超壓導(dǎo)致的大量放射性釋放是需要實(shí)際消除的工況。三代核電設(shè)計(jì)有非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)，用于緩解安全殼升壓。根據(jù)表4中各釋放類頻率，考慮安全殼過濾排放系統(tǒng)的情況下，內(nèi)部事件導(dǎo)致的安全殼晚期超壓失效8釋放類約為1.07×10-11/堆·年，總的大量放射性釋放頻率(LRF)約為1.91×10-8/堆·年。不考慮安全殼過濾排放系統(tǒng)的情況下，內(nèi)部事件導(dǎo)致的安全殼晚期超壓失效釋放類約為7.63×10-9/堆·年，總的LRF約為2.65×10-8/堆·年。

表4 三代核電廠各釋放類頻率Table 4 The frequency of radioactivity categories in generation Ⅲ NPP

參考《“華龍一號(hào)”融合方案核電項(xiàng)目安全審評(píng)原則》，采用發(fā)生頻率小于10-7/堆·年作為一種“實(shí)際消除”的輔助概率判斷值論證。不考慮安全殼過濾排放系統(tǒng)的情況下，三代核電廠依舊滿足實(shí)際消除安全殼晚期超壓導(dǎo)致的大量放射性釋放的目標(biāo)，且滿足三代核電廠LRF安全目標(biāo)。

在三代先進(jìn)核電廠的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)有一回路快速卸壓系統(tǒng)、堆腔注水系統(tǒng)、非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)等一系列可靠、有效的嚴(yán)重事故緩解措施，在不考慮安全殼過濾排放的情況下，仍能滿足安全目標(biāo)及實(shí)際消除的目標(biāo)。所以建議將安全殼過濾排放系統(tǒng)定位不作為專設(shè)的設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況措施，僅作為補(bǔ)充安全措施，主要定位于應(yīng)對(duì)核電廠的剩余風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

基于HAF102—2016《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》中設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況的設(shè)計(jì)要求，核電廠縱深防御層次出現(xiàn)了新的變化。三代核電廠設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況的考慮及嚴(yán)重事故專用的預(yù)防和緩解措施的設(shè)計(jì)，極大地降低了安全殼超壓風(fēng)險(xiǎn)。通過二級(jí)PSA分析，在不考慮安全殼過濾排放的情況下，三代核電廠仍能滿足大量放射性釋放頻率的安全目標(biāo)及實(shí)際消除安全殼晚期超壓導(dǎo)致大量放射性釋放工況的目標(biāo)。

建議將安全殼過濾排放系統(tǒng)定位不作為專設(shè)的設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況措施，僅作為補(bǔ)充安全措施，主要定位于應(yīng)對(duì)核電廠的剩余風(fēng)險(xiǎn)。