福島事故對AP1000核電廠廠用水系統設計的啟示

馬強

摘 要:對AP1000中廠用水系統(Service Water System, SWS)系統的重要性和先進性進行了比較性論述,并闡述了SWS系統故障對核電廠的影響,最后針對福島事故的教訓,給出了SWS設計改進建議。

關鍵詞:核電廠AP1000廠用水系統(SWS)福島事故設計改進

中圖分類號:TL73 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)07(b)-0128-01

1廠用水系統簡介

廠用水系統是一個非安全相關的系統,無論在電廠正常運行還是在事故工況,該系統都將設備冷卻水(Component Cooling Water System,CCS)傳輸的熱量帶出。

2SWS系統對AP1000核電廠安全的影響

2.1 AP1000核電廠SWS系統的優越性

某些建造年代較早的核電廠,設備冷卻水系統(RRI)向核島內各熱交換器供水,并將其熱負荷通過重要廠用水系統(Essential Service Water System SEC)傳到海水中[1]。

而在AP1000核電廠中,則是CCS系統將核島構筑物、系統和部件產生的多余熱量以及冷停堆過程的衰變熱首先傳遞至設在常規島的換熱器,然后再由SWS系統送至大海或冷卻塔。

兩者主要區別在于:(1)AP1000的SWS系統均為非安全相關系統,而早期核電廠的SEC則是安全相關的系統,顯然前者的建造和運行成本更低。(2)由于AP1000的非能動設計,SWS系統可以比SEC系統更加簡單,只需要兩臺100%容量的廠用水泵即可,而SEC系統則需要4臺安全相關的水泵[2]。

2.2 SWS系統故障對AP1000核電廠的運行影響

在電廠功率運行期間,如果兩臺廠用水泵發生故障,CCS熱交換器冷卻功能立即受到影響。CCS升溫將導致反應堆冷卻劑泵(RCP)定子溫度報警,如果SWS沒有及時恢復,則四臺反應堆冷卻劑泵停止運行,反應堆事故停堆保護。在這種情況下,衰變熱通過反應堆冷卻劑系統自然循環排出堆芯。可見SWS對核電廠的正常運行有著重要影響。

3福島事故對SWS系統設計工作的啟示

3.1 SWS系統構成

AP1000的SWS系統是一個封閉回路的冷卻系統。它由兩臺100%容量的廠用水泵,自動反沖洗過濾器和相關管道、閥門、控制設備和儀表組成。廠用水泵抽取海水或冷卻回水,然后將其送至設備冷卻水交換器,排出設備冷卻水系統中的熱量。

SWS系統有兩個系列,每個系列都有其獨立的廠用水泵、過濾器和換熱器,這些設備都可以互為備用,從而提高了系統的可靠性[3]。

3.2 福島事故對SWS設計工作的啟示

福島事故的主要原因是地震海嘯使電廠斷電,衰變熱無法排出,導致反應堆過熱,并先后發生氫氣爆炸和核泄露[4]。

SWS系統對核島設備冷卻的過程有至關重要的作用,因此我們在設計SWS系統時,必須充分考慮到地震和海嘯對該系統的影響,以保證在極端情況發生的時候,SWS能夠不發生重大損壞并能在損壞后很快恢復正常工作。

為了滿足這一條件,SWS設計過程需采取如下設計方法。

(1)在SWS兩個系列中均安裝多個閥門,并設計多個連通管,以實現兩系列各個組件的相互備用。具體做法為:在每個系列的設備冷卻水系統熱交換器的上游和下游管道之間設置連通管,從而兩個廠用水泵中的任何一個都可以將冷卻水輸送給兩個熱交換器的任何一個,并且允許任意一個熱交換器通過平行布置的另一個熱交換器的排水管排放到循環水系統排水管中。廠用水系統將冷卻水排放到循環水系統排水涵管,然后與循環水系統的排水混合后排到大海。(2)降低管道系統內部阻力。盡可能的減少彎頭、三通以及閥門的使用,減少管道的轉彎,盡量采用手動碟閥。(3)提高管道的耐用度。采用耐海水腐蝕的管道,在室內管材為AL-6XN,在室外則用HDPE,閥門采用耐腐蝕的襯膠碟閥。(4)廠用水泵也需注意防腐。大亞灣核電站當時所有8臺SEC泵都是使用1Cr17Ni2這種不耐海水腐蝕的葉輪防轉螺釘,因此8臺泵的葉輪同時脫落導致8臺泵同時不能使用,使電站核島熱阱險些全部喪失[5]。SEC系統在設計時已經考慮到了海水環境對設備的破壞作用,并采取了一系列防腐蝕措施,例如與海水接觸時,不耐海水腐蝕的材料都采用保護層(橡膠襯里、水泥砂漿襯里)與海水隔絕。但是通過大亞灣核電站10多年的運行情況來看,仍有不少的腐蝕問題發生,SEC系統局部還存在防腐蝕設計和選材的不足之處,有可以改進的地方。在AP1000的設計工作中也需要注意這個問題。

4結語

簡而言之,這次失事的日本核電站是老舊的、瀕臨退役的、安全理念不夠完善的核電站,我們在AP1000 SWS設計工作需要從此次事故以及世界上眾多核事故血的教訓和經驗總結中獲取改進的資料,就如同每一次空難調查和反思都會使我們的民航客機更加安全一樣—— 人類就是這樣在曲折中付出代價,從而不斷進步的。

參考文獻

[1] 劉飛華,晏衛國.大亞灣核電站核島重要廠用水系統(SEC)典型的腐蝕事件及評價[J].腐蝕與防護,2007,28(12):633-636.

[2] Westinghouse.AP1000 Design Control Document (Rev.16)[Z].May 2007.

[3] 林誠格.非能動安全先進核電廠AP1000[M].北京:原子能出版社,270-273.

[4] 柴之芳.從日本福島核事故說起[J].科學文化評論,2011(5).

[5] DG.NSP.131.1U03/005.大亞灣核電站運行事件報告:SEC泵葉輪鎖緊螺釘的防轉螺釘腐蝕共模問題可能導致最終熱阱喪失[Z].