秦山核電二期擴(kuò)建工程消氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)項(xiàng)安全評(píng)價(jià)的獨(dú)立驗(yàn)證

孫 磊，宮 宇，趙樹(shù)玉

（1.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江海鹽 314300；

2.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082）

秦山核電二期擴(kuò)建工程消氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)項(xiàng)安全評(píng)價(jià)的獨(dú)立驗(yàn)證

孫 磊1，宮 宇2，*，趙樹(shù)玉1

（1.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江海鹽 314300；

2.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082）

2004年4月頒布的HAF102《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》對(duì)新建核電廠的安全性提出了更高的要求，除了要開(kāi)展嚴(yán)重事故預(yù)防與緩解措施的研究外，還要求對(duì)核電廠設(shè)計(jì)的安全分析進(jìn)行獨(dú)立驗(yàn)證。核電秦山聯(lián)營(yíng)有限公司對(duì)嚴(yán)重事故管理相關(guān)的“設(shè)置完善的可燃?xì)怏w控制系統(tǒng)”（即“消氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)”）重大設(shè)計(jì)改進(jìn)項(xiàng)的安全評(píng)價(jià)進(jìn)行了獨(dú)立驗(yàn)證。本文描述了開(kāi)展消氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)項(xiàng)安全評(píng)價(jià)獨(dú)立驗(yàn)證工作的整個(gè)過(guò)程，并對(duì)驗(yàn)證分析中存在的問(wèn)題進(jìn)行了討論。

非能動(dòng)；非能動(dòng)氫氣復(fù)合器；設(shè)計(jì)改進(jìn)；安全評(píng)價(jià)；獨(dú)立驗(yàn)證

2004年4月國(guó)家核安全局發(fā)布的《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》（HAF102）對(duì)獨(dú)立驗(yàn)證提出了明確要求［1］：“在提交國(guó)家核安全監(jiān)管部門(mén)以前，營(yíng)運(yùn)單位必須保證未參與相關(guān)設(shè)計(jì)的個(gè)人或團(tuán)體對(duì)安全評(píng)價(jià)進(jìn)行獨(dú)立驗(yàn)證”。由于我國(guó)核電領(lǐng)域相關(guān)單位此前都未進(jìn)行過(guò)這方面的研究，而且當(dāng)時(shí)相應(yīng)的支持導(dǎo)則《核動(dòng)力廠安全評(píng)價(jià)與驗(yàn)證》還沒(méi)有發(fā)布，所以如何在秦山核電二期擴(kuò)建工程中落實(shí)HAF102的要求在當(dāng)時(shí)并不明確。

核電秦山聯(lián)營(yíng)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“聯(lián)營(yíng)公司”）經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為，擴(kuò)建工程作為一個(gè)“翻版加改進(jìn)”項(xiàng)目，其“翻版”部分的設(shè)計(jì)已經(jīng)在秦山核電二期1、2號(hào)機(jī)組的建造、調(diào)試、運(yùn)行的實(shí)踐過(guò)程中得到了驗(yàn)證，所以擴(kuò)建工程的獨(dú)立驗(yàn)證工作的重點(diǎn)應(yīng)該是設(shè)計(jì)改進(jìn)部分［2］。國(guó)家核安全局在“關(guān)于《秦山核電二期擴(kuò)建工程擬遵守法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)告》的批復(fù)”中，關(guān)于安全評(píng)價(jià)的獨(dú)立驗(yàn)證給出了指導(dǎo)性意見(jiàn)：應(yīng)以設(shè)計(jì)改進(jìn)和改進(jìn)項(xiàng)可能產(chǎn)生的影響為重點(diǎn)，開(kāi)展相關(guān)工作。

核電廠防氫爆問(wèn)題是國(guó)家核安全局一直關(guān)注的重要問(wèn)題［3］，業(yè)內(nèi)主要核電設(shè)計(jì)單位也相繼開(kāi)展了消氫措施的研究［4］。福島事故表明，為了安全發(fā)展核電，一定要將氫爆發(fā)生的可能性降至最低［5］。

經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)核電行業(yè)充分地調(diào)研后，聯(lián)營(yíng)公司最終決定將“設(shè)置完善的可燃?xì)怏w控制系統(tǒng)（消氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)）”這項(xiàng)嚴(yán)重事故相關(guān)的重大設(shè)計(jì)改進(jìn)項(xiàng)委托上海交大進(jìn)行獨(dú)立驗(yàn)證分析工作。

1 消氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)項(xiàng)

秦山核電二期工程的系統(tǒng)設(shè)計(jì)只考慮了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況下的氫氣控制措施，在安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ETY）中設(shè)置了兩套可移動(dòng)的便攜式氫氣復(fù)合器，一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用［6］。每套氫氣復(fù)合器由一臺(tái)空氣壓縮機(jī)、一臺(tái)氣體加熱器、一個(gè)反應(yīng)室、一臺(tái)冷卻器和相應(yīng)的管道、閥門(mén)、儀表等設(shè)備組成。

考慮在嚴(yán)重事故情況下的氫氣控制要求，擴(kuò)建工程消氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)項(xiàng)采用非能動(dòng)催化復(fù)合器方案，根據(jù)模擬計(jì)算與分析結(jié)果，在安全殼內(nèi)布置由西門(mén)子公司生產(chǎn)的兩種型號(hào)共22臺(tái)非能動(dòng)氫氣復(fù)合器［7］，具體布置方案見(jiàn)表1：

表1 擴(kuò)建工程非能動(dòng)氫氣復(fù)合器布置方案Table1 PAR arrangem ent program ofQinshanⅡExtension Project

2 獨(dú)立驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果

秦山核電二期擴(kuò)建工程消氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)項(xiàng)安全評(píng)價(jià)的獨(dú)立驗(yàn)證工作分為三個(gè)步驟：首先，在聯(lián)營(yíng)公司的協(xié)助下由上海交大獨(dú)立搜集核電廠數(shù)據(jù)，建立核電廠分析模型；然后，在此基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)計(jì)改進(jìn)項(xiàng)進(jìn)行獨(dú)立的安全分析（包括典型事故序列的選取、嚴(yán)重事故進(jìn)程計(jì)算、事故后果分析、氫氣控制效果分析等）；最后，將獨(dú)立分析結(jié)果與設(shè)計(jì)分析進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，并對(duì)安全分析報(bào)告中的相關(guān)安全分析進(jìn)行評(píng)價(jià)［9］。

2.1 氫氣風(fēng)險(xiǎn)分析

本項(xiàng)目選取了大破口失水事故、小破口失水事故、全廠斷電事故進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明大破口失水事故下堆芯熔化進(jìn)程最快，鋯-水反應(yīng)和氫氣產(chǎn)生的速率也最快，事故后果最嚴(yán)重［10］。

在大破口失水事故中［11］，包殼材料的鋯-水反應(yīng)發(fā)生很快，在1165s左右堆芯材料開(kāi)始熔化，在大約2 019 s時(shí)堆芯熔化坍塌，在3 600 s左右堆芯熔融物吊入下腔室，在8 610 s時(shí)下封頭失效，在約19020 s時(shí)安全殼內(nèi)氫氣質(zhì)量達(dá)到100%鋯-水反應(yīng)的程度，共產(chǎn)生695 kg氫氣（圖1）。如圖2所示，在發(fā)生大破口失水事故的后期，安全殼內(nèi)平均氫氣濃度將超過(guò)14%，存在發(fā)生快速燃燒或者爆炸的風(fēng)險(xiǎn)［12］。

圖1 大破口失水事故下氫氣產(chǎn)量（MAAP程序）Fig.1 Hydrogen’syields on LB-LOCA（MAAP）

圖2 大破口失水事故下安全殼內(nèi)平均氫氣濃度Fig.2 Average containmenthydrogen concentration on LB-LOCA

2.2 氫氣復(fù)合器的布置驗(yàn)證與優(yōu)化

由于是驗(yàn)證分析，氫氣復(fù)合器的布置與設(shè)計(jì)方案保持一致。獨(dú)立驗(yàn)證計(jì)算的結(jié)果表明，設(shè)計(jì)分析中的布置方案能夠確保非能動(dòng)氫氣復(fù)合器持續(xù)穩(wěn)定地工作，安全殼內(nèi)的氫氣濃度得到有效控制，濃度峰值為6.7%，與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果5.4%接近且均低于安全限值10%，而且各隔間都不會(huì)發(fā)生氫氣快速燃燒［13］，所以該氫氣復(fù)合器的布置方案是可行的。

在原設(shè)計(jì)方案中存在一定的安全裕量，所以獨(dú)立計(jì)算對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析后，提出了兩種優(yōu)化方案（如圖3所示）。兩種優(yōu)化方案都能夠有效地將安全殼內(nèi)平均氫氣濃度和燃燒風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受的范圍之內(nèi)。

圖3 氫氣復(fù)合器布置分析（MAAP程序）Fig.3 Analysis of PAR arrangem ent（MAAP）

表2 氫氣復(fù)合器布置方案對(duì)比Table2 PAR arrangementprogram

3 獨(dú)立驗(yàn)證分析

3.1 分析工具的合理性

設(shè)計(jì)分析中采用的是MELCOR程序，獨(dú)立計(jì)算中則采用了MAAP、MELCOR兩種程序。MAAP、MELCOR都是國(guó)際通用于模擬輕水反應(yīng)堆核電廠嚴(yán)重事故現(xiàn)象及過(guò)程的一體化計(jì)算程序，用于分析非能動(dòng)氫氣復(fù)合器在安全殼內(nèi)的方案布置、效果是否合理。

3.2 安全殼模型的劃分

設(shè)計(jì)分析中將安全殼劃分為32個(gè)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)由若干流道相互連通；在獨(dú)立計(jì)算分析中，MELCOR程序?qū)踩珰澐譃?3個(gè)節(jié)點(diǎn)，MAAP程序劃分了24個(gè)節(jié)點(diǎn)。各程序節(jié)點(diǎn)的劃分都是根據(jù)擴(kuò)建工程安全殼隔間的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和程序使用經(jīng)驗(yàn)做出的合理簡(jiǎn)化，不同節(jié)點(diǎn)劃分方案對(duì)計(jì)算結(jié)論的一致性沒(méi)有影響。

3.3 計(jì)算條件假定的差異

獨(dú)立計(jì)算與設(shè)計(jì)分析的計(jì)算條件假設(shè)之間的對(duì)比見(jiàn)表3，除了蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水裝量和安注箱開(kāi)啟壓力略有差異之外，其余參數(shù)和條件均一致，且計(jì)算結(jié)果表明，這兩個(gè)有差異的參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響甚微。

表3 計(jì)算假設(shè)條件對(duì)比Table 3 Contrastof com pute assumptions

3.4 事故序列選取的合理性

獨(dú)立驗(yàn)證計(jì)算中選取大破口失水事故、小破口失水事故和全廠斷電事故作為典型事故序列進(jìn)行了分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，相對(duì)于其他事故工況，大破口失水嚴(yán)重事故進(jìn)程更快，在考慮100%鋯-水反應(yīng)產(chǎn)氫量的條件下能夠包絡(luò)其他事故序列。所以設(shè)計(jì)方案中選取大破口失水事故作為安全殼可燃?xì)怏w控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考事故工況是合理的。

表4 氫氣燃燒風(fēng)險(xiǎn)分析參數(shù)Table 4 Hyd rogen burning risk analysis parameter

3.5 大破口失水嚴(yán)重事故對(duì)比分析

本節(jié)選取大破口失水嚴(yán)重事故序列，對(duì)設(shè)計(jì)分析中關(guān)于事故進(jìn)程、安全殼壓力、氫氣產(chǎn)量、氫氣濃度和燃燒爆炸風(fēng)險(xiǎn)、非能動(dòng)氫氣復(fù)合器消氫效果等進(jìn)行詳細(xì)驗(yàn)證。

3.5.1 事故進(jìn)程對(duì)比

大破口失水嚴(yán)重事故的主要事故進(jìn)程見(jiàn)表5，可以看出，設(shè)計(jì)分析與獨(dú)立驗(yàn)證計(jì)算的結(jié)果基本一致。

表5 大破口失水嚴(yán)重事故進(jìn)程Table5 Severeaccident process of LB-LOCA

3.5.2 安全殼壓力曲線(xiàn)的一致性

如圖4所示，獨(dú)立計(jì)算得出的安全殼壓力響應(yīng)曲線(xiàn)與設(shè)計(jì)分析的基本一致，大破口失水嚴(yán)重事故工況下安全殼內(nèi)壓力峰值未超過(guò)0.45MPa的設(shè)計(jì)值，不會(huì)導(dǎo)致安全殼失效。

圖4 大破口失水嚴(yán)重事故下安全殼壓力對(duì)比Fig.4 Contrastof containmentpressureon LB-LOCA

3.5.3 氫氣產(chǎn)量的差異

氫氣總產(chǎn)量包括壓力容器內(nèi)鋯包殼氧化的氫氣產(chǎn)量和壓力容器外熔融堆芯和混凝土相互作用的氫氣產(chǎn)量。如圖5所示，MAAP程序獨(dú)立計(jì)算達(dá)到等效于100%鋯-水反應(yīng)產(chǎn)氫量的時(shí)間為19 020 s，設(shè)計(jì)分析中是18710 s；在36 000 s計(jì)算終止時(shí)，MAAP程序獨(dú)立計(jì)算的安全殼內(nèi)氫氣總量是1 129 kg，設(shè)計(jì)分析中為1 020 kg。雖然不同程序間鋯-水反應(yīng)機(jī)理模型的差異和堆芯熔化進(jìn)程的計(jì)算過(guò)程不完全一致導(dǎo)致最終的氫氣產(chǎn)量稍有有差別，仍可認(rèn)為獨(dú)立計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)分析是一致的。

3.5.4 氫氣濃度分析

在沒(méi)有氫氣復(fù)合器的事故工況下，獨(dú)立計(jì)算的氫氣濃度值比設(shè)計(jì)分析略高2個(gè)百分點(diǎn)左右，如圖6所示，在20000 s時(shí)刻，MAAP程序計(jì)算氫氣濃度為14.3%，設(shè)計(jì)分析大約是12.5%；在36 000 s時(shí)刻，MAAP程序算得氫氣濃度為20.3%，設(shè)計(jì)分析則大約為18%。導(dǎo)致此區(qū)別的主要原因是堆腔計(jì)算模型略有差異以及獨(dú)立計(jì)算中詳細(xì)考慮了安全殼內(nèi)壁面的對(duì)流傳熱和冷凝傳熱。

圖5 大破口失水嚴(yán)重事故下的氫氣產(chǎn)量對(duì)比Fig.5 Contrast of hydrogen’syields on LB-LOCA

圖6 大破口失水嚴(yán)重事故下安全殼平均氫氣濃度對(duì)比Fig.6 Contrastof average containmenthydrogen concentration on LB-LOCA

從圖7可以看出，獨(dú)立計(jì)算分析和設(shè)計(jì)分析得出的氫氣燃燒爆炸風(fēng)險(xiǎn)結(jié)論基本一致，即在大破口失水嚴(yán)重事故后期，如果不采取任何緩解措施，安全殼可能存在氫氣快速燃燒甚至爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 大破口失水嚴(yán)重事故下安全殼氫氣燃燒風(fēng)險(xiǎn)對(duì)比Fig.7 Contrastofhydrogen burning risk in containment on LB-LOCA

3.5.5 氫氣復(fù)合器消氫效果驗(yàn)證

在沒(méi)有氫氣復(fù)合器的事故工況下，獨(dú)立計(jì)算的氫氣濃度計(jì)算值比設(shè)計(jì)分析中略高2個(gè)百分點(diǎn)左右，因此在有相同的非能動(dòng)氫氣復(fù)合器的情況下，獨(dú)立計(jì)算安全殼內(nèi)平均氫氣濃度的最大值約為6.7%，高于設(shè)計(jì)分析中的5.4%。盡管如此，從對(duì)比結(jié)果可以得出結(jié)論：在發(fā)生大破口失水嚴(yán)重事故的情況下，秦山二期擴(kuò)建工程現(xiàn)有的非能動(dòng)氫氣復(fù)合器布置能夠持續(xù)穩(wěn)定地消除安全殼內(nèi)的氫氣，使平均氫氣濃度保持在10%以下，并且不會(huì)發(fā)生氫氣快速燃燒和氫氣爆炸。

3.6 獨(dú)立驗(yàn)證結(jié)論

相對(duì)于其他事故工況，大破口失水嚴(yán)重事故的事故進(jìn)程更快，在考慮100%鋯-水反應(yīng)產(chǎn)氫量的條件下，能夠包絡(luò)其他事故序列，可作為消氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)的參考事故工況。

盡管存在程序機(jī)理模型和核電廠模型的一些差異，獨(dú)立計(jì)算結(jié)果和設(shè)計(jì)分析基本一致，包括事故進(jìn)程、安全殼壓力響應(yīng)、氫氣產(chǎn)量、安全殼內(nèi)氫氣濃度、燃燒爆炸風(fēng)險(xiǎn)等。

圖8 安全殼內(nèi)平均氫氣濃度對(duì)比（有氫氣復(fù)合器）Fig.8 Contrastofaverage containmenthyd rogen concentration（w ith PARs）

在安全殼內(nèi)布置22個(gè)氫氣復(fù)合器緩解嚴(yán)重事故下氫氣風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)方案是有效可行的，布置的氫氣復(fù)合器能夠持續(xù)穩(wěn)定地消除安全殼內(nèi)的氫氣，使平均氫氣濃度保持在10%以下，并且不會(huì)發(fā)生氫氣快速燃燒和氫氣爆炸，滿(mǎn)足氫氣風(fēng)險(xiǎn)分析驗(yàn)收準(zhǔn)則。

設(shè)計(jì)改進(jìn)項(xiàng)中的氫氣復(fù)合器布置方案存在一定的安全裕量，在滿(mǎn)足氫氣驗(yàn)收準(zhǔn)則的前提下，從經(jīng)濟(jì)性上考慮可做適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。

4 小結(jié)與思考

秦山核電二期擴(kuò)建工程消氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)項(xiàng)安全評(píng)價(jià)的獨(dú)立驗(yàn)證項(xiàng)目于2005年9月啟動(dòng)，2009年12月完成最終修改版報(bào)告。驗(yàn)證分析的結(jié)果表明關(guān)于消氫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)措施能夠有效緩解嚴(yán)重事故下安全殼內(nèi)的氫氣風(fēng)險(xiǎn)，大范圍的氫氣快速燃燒或爆炸得以避免［14］。

2006年發(fā)布的HAD 102/17《核動(dòng)力廠安全評(píng)價(jià)與驗(yàn)證》要求［15］：設(shè)計(jì)、安全評(píng)價(jià)、獨(dú)立驗(yàn)證是一個(gè)相互迭代、相繼開(kāi)展的過(guò)程。秦山核電二期擴(kuò)建工程的設(shè)計(jì)分析與獨(dú)立驗(yàn)證是兩個(gè)完全獨(dú)立的過(guò)程，當(dāng)中不存在相互迭代關(guān)系。獨(dú)立驗(yàn)證分析中對(duì)非能動(dòng)氫氣復(fù)合器布置方案進(jìn)行了優(yōu)化，提出的兩種優(yōu)化方案均能從一定程度上降低改進(jìn)項(xiàng)的經(jīng)濟(jì)成本。但是設(shè)計(jì)分析與獨(dú)立驗(yàn)證之間由于不存在相互迭代關(guān)系，當(dāng)優(yōu)化方案提出時(shí)設(shè)計(jì)方案早已確定，且設(shè)備采購(gòu)部門(mén)已經(jīng)進(jìn)入設(shè)備招投標(biāo)工作。考慮到實(shí)際的工程進(jìn)展，優(yōu)化方案沒(méi)有被采納。因此，如何落實(shí)導(dǎo)則的要求，將設(shè)計(jì)、安全評(píng)價(jià)與獨(dú)立驗(yàn)證相結(jié)合，如何將獨(dú)立驗(yàn)證中提出的設(shè)計(jì)改進(jìn)建議落實(shí)到設(shè)計(jì)當(dāng)中需要相關(guān)單位做出更加深入的研究。

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The Independent Verification for Safety AnalysisofHydrogen Elim inating System Design Imp rovement in Qinshan Phase IIExpansion Project

SUN Lei1，GONGYu2，ZHAOShuyu1
（1.CNNP Nuclear PowerOperationsManagementCo.，Ltd.，Haiyan Zhejiang314300，China；2.Nuclearand Radiation Safety Center，MEP，Beijing100082，China）

TheHAF102“Nuclear power plantdesign safety requirements”issued in 2004.4 has put forward higher requirements for the safety ofnew nuclear powerplants.In addition to the research ofseriousaccident prevention andm itigationmeasures，the independentverification for safety analysisaboutsafety-related design should be conducted.Nuclear Power Qinshan Joint Venture Company Ltd.Conducted the independentverification of thesafety analysisof“hydrogen elim inating system design improvement”.Thispaperdescribes thewholeprocessof the independentverification，and someof theproblems thatexistin theanalysisarediscussed.

passive；PAR；designmodification；safety evaluation；independentverification

TL48

：A

：1672-5360（2015）03-0036-07

2014-12-28

2015-01-20

環(huán)保公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)，項(xiàng)目編號(hào)201309054

孫 磊（1982—），男，江蘇響水人，工程師/工學(xué)學(xué)士，現(xiàn)主要從事核安全審評(píng)、執(zhí)照管理工作

*通訊作者：宮 宇，E-mail：gongyu@chinansc.cn