三門核電一期工程安全殼再循環濾網的改進

蔡龍霆

摘要：在發生喪失冷卻劑事故后，安注箱、堆芯補水箱、非能動余熱導出熱交換器將相繼投用，最終機組將進入安全殼長期再循環。文章闡述了安全殼再循環濾網的歷次改進，分析了安全殼再循環濾網的設計概況，列舉了可能的碎片源，提出了首次裝料前的踏勘注意事項，與EPR機組的ECCS濾網進行了比較，并陳述了總體結論。

關鍵詞：非能動；安全殼再循環濾網；冷卻劑事故；核電站；發電機組 文獻標識碼：A

中圖分類號：TL364 文章編號：1009-2374（2015）28-0033-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.28.016

1 LOCA事故后的基本過程與安全殼再循環濾網

根據AP1000設計，在核電機組發生LOCA事故（假定為大LOCA）后，非能動堆芯冷卻系統（PXS）的安注箱（ACC）、堆芯補水箱（CMT）、非能動余熱導出熱交換器（PRHR HX）將相繼投用（參見圖1）；當堆內換料水箱（IRWST）內的液位到達低-3時，安全殼再循環爆破閥動作，安全殼內部將進入安全殼長期再循環階段。在此階段中，水源能否順利冷卻堆芯，需重點關注安全殼再循環濾網的功能是否能夠順利實現。

2 安全殼再循環濾網的改進及目前的設計概況

2.1 安全殼再循環濾網的變更與改進

安全殼再循環濾網及其相關的設備在此前的設計中進行過歷次變更，主要包括擴大濾網面積，在兩個單獨的濾網中間設置隔離，將安全殼內設備的標簽、銘牌等材料確定為不銹鋼等。上述設計變更增加了安全殼再循環濾網的可靠性，進一步滿足了相關設計標準，降低了安全殼內可能的碎片源，從總體上優化了安全殼再循環濾網的設計。

2.2 安全殼再循環濾網目前的設計概況

安全殼內有2個安全殼再循環濾網，均布置在蒸汽發生器（SG）下部的11202隔間，標高為83英尺（地下一層）。每個濾網都有60個濾芯，每個濾芯含有42個過濾囊，每個過濾囊的表面積為0.09m2，總表面積約為233.2m2。濾網是核C級設備，其設計滿足抗震I類要求。濾網由攔污柵和細濾網組成。攔污柵防止大的雜質到達細濾網，折疊型的細濾網則防止大于1.6mm的雜質注入RCS內堵塞冷卻通道。考慮到包絡PXS和正常余熱排除系統（RNS）泵的水流量，濾網能通過122～591m3/h的水。

安全殼再循環濾網上部有堅實的保護板（參見圖2），能夠防止非安全相關涂料失效產生的碎片直接掉入濾網附近水域。保護板布置在不高于濾網頂部0.381m的地方，并且向前方延伸至少2.718m、向側面延伸至少2.13m。濾網底部高于地面0.61m，這可以防止高密度的碎片被水流沿著地面卷向濾網。

3 碎片源分析

除了壓力容器的少數位置采用了非金屬保溫層外，三門核電一期工程安全殼內的主設備基本采用金屬反射保溫層（Reflected Metallic Insulation，簡稱RMI），因此在LOCA事故期間，雖然RMI可能受到噴射撞擊，但不會產生纖維類碎片。RMI損壞后，產生的碎片主要是不銹鋼薄片、板材。因為密度大，這些薄片和板材會快速沉降，不會輸送到安全殼再循環濾網前。三門核電一期工程內的水流速度低，即使考慮了RNS泵的運行，濾網表面的水流速度（0.004m/s）也遠遠低于一般壓水堆內水流的速度（0.034m/s），而且這些薄片和板材的有足夠長的沉降時間，故不會堵塞濾網。因此，在發生LOCA事故后，無需考慮RMI產生的碎片。考慮到安全殼再循環濾網的布置（高于地面0.61m）以及涂層的材料（主要是無機鋅和環氧樹脂），預計安全殼內高密度、難剝離的涂層剝落不會導致濾網的堵塞。但在影響區域（Zone of Influence，簡稱ZOI）內，由于LOCA后的沖擊與噴射，設備和管道的涂料可能會產生碎片。此外，考慮到安全殼內的填縫料、標識牌、標簽、水泥渣、毛發、膠帶等異物以及因淹沒、浸泡發生化學反應而產生的化學沉淀，因此仍有一些可遷移的碎片源，主要包括全廠范圍內的潛在碎片、ZOI內的涂料碎片、長期淹沒后的化學沉淀（如壓力容器的非金屬保溫層）等。

根據安全殼清潔大綱，潛在碎片的總量不大于59kg，其中潛在纖維總量不大于2.99kg，其他潛在碎片總量約為56kg；影響區域采用較為保守的估算（環氧樹脂區域采用4D，無機鋅區域采用10D，其中D為破口直徑，遠大于NEI 04-07 3-14中推薦值1.0的要求），ZOI總涂料顆粒碎片總量最多為31.75kg；30天內化學沉淀的總量最多為26kg。在此基礎上，保守假定纖維碎片（2.99kg）、涂料顆粒碎片及其他潛在碎片（87.73kg）、化學沉淀（26kg）100%遷移到安全殼再循環濾網處，依然可以保證濾網的壓差損失不超過1.72kPa，滿足安全殼長期再循環的要求。

4 三門核電一期工程首次裝料前安全殼再循環濾網的踏勘

為了響應國家核安全局的要求，三門核電一期工程已于2014年底啟動了首次裝料前安全殼長期再循環相關的踏勘方案、踏勘計劃的制定工作。在此工作及后續的實際踏勘中，需關注以下兩點：

4.1 做好所需文件與踏勘工具的準備

為了進一步確保安全殼再循環的可靠性，可以在安全殼清潔后對現場進行踏勘。在踏勘前，首先應熟悉安全殼再循環濾網與地坑的設計文件，包括濾網設計文件、歷史碎片源文件、碎片遷移計算報告等，并審查建造和維修記錄，確認外部異物已經排除。接下來，須準備相關工具，包括安全殼內的布置圖、管道圖、腳手架、皮尺、探針、手電筒、數碼相機、無損磁力測微計、取樣刀、記號筆等。在進入現場后，可順著流道，對保溫材料、安全殼內涂層材料、污垢以及異物進行重點踏勘取樣，尤應關注堵塞點、滯留區，做好相應的標識。

4.2 關注碎片源，及時清理碎片

三門核電一期工程的安全殼內，產生碎片的材料主要由全廠范圍內的潛在碎片、ZOI的涂料碎片、長期淹沒后的化學沉淀等構成。對于全廠范圍內的潛在碎片，應重點關注安全殼內的標識牌、紙屑、毛發、衣物線頭、塑料皮等；對于ZOI內的涂料碎片，應該重點關注安全殼內的管道、設備上的油漆涂層以及鋼制安全殼的環氧樹脂與無機鋅涂層；對于長期淹沒后的化學沉淀，可以關注壓力容器非金屬保溫層的狀態、pH值調節籃內磷酸三鈉的情況、安全殼水淹水位以下的涂料性狀以及其他相關的化學物品。由于三門核電一期工程的安全殼長期再循環過程中不需要依靠應急堆芯冷卻泵，因此無需考慮因為安全殼再循環濾網堵塞帶來的應急堆芯冷卻泵的壓頭損失，但如果濾網發生阻塞，會導致再循環水流非常小，這將影響長期再循環的安全。因此，如果在附近或影響區域內有污垢、異物，須注意在合適的時間窗口及時清理。

5 與EPR應急堆芯冷卻系統（ECCS）濾網的比較

在主要設備、管道上盡量采用RMI以減少纖維類碎片的產生，這一點上EPR和AP1000有著相通之處。改進的濾網可以采用能動（如反沖洗、動力驅動等）或非能動的方法來減輕碎片堵塞的影響。在EPR的設計中，其應急堆芯冷卻的功能是通過圍堰、攔污架、承重底板、滯留籃、IRWST、ECCS濾網、反沖洗泵和相關管線（參見圖3）來實現的。當EPR機組發生事故后，安全殼內的碎片首先會被圍堰和攔污架攔截、過濾，再經過承重底板進入滯留籃，大部分的碎片會被滯留籃截住；當滯留籃裝滿碎片后，碎片會進入IRWST，并被濾網進一步過濾；若濾網發生堵塞，反沖洗泵可以對濾網進行反沖洗，減輕碎片堵塞帶來的壓差。反沖洗水流可能會對正常水流造成一定影響，在運行時須密切關注。

通過上述資料，可以看到EPR的設計更側重一系列的縱深防御，AP1000則側重用簡潔的非能動設備達到多重效果。2011年3月11日，因遭遇了9級地震和海嘯，日本福島第一核電站6臺機組均嚴重受損。在地震和海嘯之后，電站喪失廠外電源，冷卻水系統被損壞，其全部6臺機組的堆芯冷卻都遇到了困難。由于海水淹沒了配電設備，堆芯冷卻的恢復也受到了海嘯的嚴重阻礙。從此事故中可以了解到，福島第一核電站喪失電源導致了應急堆芯冷卻泵無法正常使用，而配電設備的無法恢復導致應急堆芯冷卻泵難以維修。對于必須依靠能動設備才能建立起有效的安全殼再循環的反應堆（如EPR等）而言，在事故工況下無法投用應急堆芯冷卻泵即意味著安全殼再循環無法建立，也意味著堆芯冷卻面臨極大的威脅與挑戰。但對于三門核電一期工程而言，僅需保證安全殼再循環濾網的可用性即可建立自然循環，這顯然是其一個重要優勢。

6 結語

AP1000的安全殼再循環濾網設計在防止LOCA事故后的濾網堵塞方面已經做了很大改進，主要表現為：（1）提供較長的沉降時間、較深的淹沒水位和較小的再循環流量、流速以改善碎片沉降；（2）采用褶皺型濾網以增加濾網表面積；（3）濾網的布置高于樓面，且正上方、側翼有保護板；（4）安全殼內主要設備、管道均采用RMI，從而避免了纖維類碎片的產生；（5）無需安全殼自動噴淋；（6）無需應急堆芯冷卻泵；（7）在安全殼內使用高密度涂料，如無機鋅和環氧樹脂。

經過分析AP1000安全殼再循環濾網的效果（包括其參數、布置、設計標準等）與碎片源（包括全廠范圍內的潛在碎片、ZOI內的涂料碎片、長期淹沒后的化學沉淀），并與EPR的ECCS濾網進行比較，可以看到三門核電一期工程的濾網確實有著較高的可靠性，保障安全殼長期再循環的效果顯著，設計優點也十分突出。

參考文獻

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（責任編輯：周 瓊）