CP1400抗震設計及地震停堆系統設計及優化

陳麗培 方小虎

【摘 要】本文結合國內外法律法規，介紹了福島事故后對核電站廠址抗震的設計及核電站在地震前后的運行及停堆等一系列要求，對比了福島事故前后設計基準的一些改變。在結合核電站抗震的設計要求的基礎上介紹了CAP1400廠址的抗震設計以及CAP1400地震自動停堆系統設計的背景，同時詳細介紹了CAP1400自動停堆系統的設備配置及布置情況。

【關鍵詞】CAP1400 抗震 停堆 地震加速度

1引言

自福島事故以來，地震等自然災害對核電站的威脅受到了高度的重視，各國核安全相關部門對電站抗震也提高了要求。CAP1400示范工程作為《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》（2006-2020）確定的16個重大專項之一，對我國的能源戰略和構成有著重大意義，對其抗震也提出了更嚴格的要求。本文結合廠址抗震設防，給出了CAP1400的抗震舉措以及地震自動停堆系統的設置情況。

2 CAP1400抗震設計

核電站的廠址抗震要求比較特殊。IAEA給出安全停堆地震設計基準為不低于0.1g，我國選址評價中最低值是0.12g。之前采用的是萬年一遇的設計基準地面運動水平進行設防，且安全停堆地震動水平不小于0.15g。而福島事故后核安全局《新建核電站要求》中提出新建核電廠SSE設計基準不低于0.3g，URD和EUR分別要求SSE設計基準為0.3g和0.25g。

CAP1400項目從設計初就采用最高標準，設計參數要求CAP1400自由場地面運動（自由場地面運動指的是地震引起的地面震動，不包括地貌、工程結構和設施振動反饋對地面震動的影響）水平和豎向峰值加速度均小于或等于0.3g，其抗震要求滿足核安全局最新、最嚴格標準。CAP1400項目采用確定論和概率論方法確定廠址地震動參數，綜合兩者確定廠址SL-2級設計基準震動參數（加速度、烈度、反應譜），相關要求有：地基巖土體剪切波速大于或等于1100m/s（相當于巖石地質）；被動土壓力的土體不存在液化問題等。

需要注意的是，同AP1000核電廠一樣，CAP1400的設計中已經去除了對運行基準地震（OBE）的要求，取消OBE的原因有以下幾個：（1）工業界和NRC認為OBE設計的特性是落到設計準則所定的安全裕度以外的一個額外裕量，取消OBE不會導致整個核電廠安全裕量顯著降低；（2）經驗及研究成果均已表明，SSE載已經包絡了OBE使用載荷組合；（3）核電廠管道系統考慮了地震對應力和疲勞的影響，結論是對于一次應力，如果OBE反應為SSE反應的1/3，則認為SSE載荷是控制管道設計，取消OBE不會影響其安全裕度，管道的失效是歸結為包括設計、建造和運行中的失誤；（4）完全錨固的機械設備具有很強的抗震性能，并能保持其完整性，可運行性通常由有效間隙公差不超過限值來保證，它是由SSE而不是OBE所控制的[1]。某些可能對低級別地震較敏感的設備設計中，以一定比例的安全停堆地震計算響應來考慮這種低級別地震的影響。地震后電廠是否需要停堆的評判準則是利用累計絕對速度的方法建立，停堆的運行基準地震考慮為安全停堆地震的1/3。對于地震造成的疲勞損傷，則需另行分析，例如控制棒的承壓殼體，地震造成的疲勞的評定基于振幅為安全停堆地震的三分之一的5次地震事件和每個事件63次循環[2]。

3自動停堆系統

規程對運行要求“如果地面運動超過運行基準地震動OBE，或者電廠發生顯著破壞，營運單位必須停堆”，CFR文件中規定：如果地面震動加速度超過了運行基準地震或者電站發生顯著破壞，電站運行者必須有一個明確的計劃來保證核電站安全停堆。在電站重新啟動之前，電站運行者必須向監管單位證明那些保障公眾健康、防止放射性釋放功能的設備完整性[3]。電廠發生顯著破壞須停堆的要求是無需解釋的，但是地面運動超過運行基準地震動OBE要求停堆這一條已經不適合AP1000，相應的也不應適用于CAP1400，因為AP系列的電站抗震設計時已經取消了運行基準地震，但發生地震時也有相關停堆要求。RG1.166也對手動停堆提出了一些要求，具體動作可由操縱員來完成[4]。

4 CAP1400自動停堆設計優化

國家核安全局在《新建核電廠安全要求中》對新建電站提出“宜設置地震自動停堆系統”。從安全的角度來看，設置地震自動停堆系統是非常有益的，但國內具備此功能的電站不多，AP1000系列的電站也未具備此功能。目前，國內某電站設立了具有類似功能的地震保護系統，在地面加速度大于0.1g時可以自動停堆，迄今尚未觸發過停堆信號，但曾在爆破活動中出現過預報警。從實現電站安全功能的角度出發，地震自動停堆系統并不直接影響一回路的完整性，因此沒有必要設為安全系統。

結合后期研發情況，目前國核示范根據地震自動停堆系統設計情況為決定設立，名稱為地震自動停堆系統（Earthquake Scram System，簡寫ESS），采用地面峰值加速度設置停堆整定值，系統采用測點位置峰值加速度作為停堆參數，整定值為0.3SSE反應譜對應的ZPA（設計地面峰值加速度）。ESS起縱深防御作用，非安全有關系統，獨立于地震監測系統（SJS），也不執行地震數據記錄功能；系統分級要求為非1E級（D級）、NR、抗震I類，采用4通道冗余架構，包括4臺加速度傳感器和2臺數字式信號處理機柜；每臺機柜分別進行2/4表決，輸出的停堆信號分別單獨控制一臺棒電源機組出口斷路器，最終停堆驅動為2/2邏輯。設備布置為4臺地震傳感器均布置在核島底板，并分別安裝在12廠房1層的4個蓄電池間或其附近區域，滿足ALARA原則；2臺機柜分別布置在12廠房的2個備用間。在上述設備的作用下，CAP1400的自動停堆系統能夠滿足所需的地震時停堆要求。

參考文獻：

[1]The passive ALWR-NPP，ALWR-URD.III[R].US：Electric Power Research Insititute，1995.

[2]林城格.非能動安全先進壓水堆核電技術[M].原子能出版社，2010，5.

[3]US.10CFR Part50，App.S“Earthquake Engineering Criteria for Nuclear Power Plants.

[4]RG 1.166-1997 Pre-Earthquake Planning and Immediate Nuclear Power Plant Operator Postearthquake Actions.