非能動安全系統在AP1000核電站應用概述

耿一媧哈爾濱工程大學核科學與技術學院

非能動安全系統在AP1000核電站應用概述

耿一媧
哈爾濱工程大學核科學與技術學院

本文以西屋公司研發的AP1000為例，對非能動安全系統做簡要的描述。作為第三代堆安全系統的重要部分，非能動安全技術在核電站的具體設計中有著廣泛的應用。本文先闡明非能動的概念及其分類，然后以非能動余熱排出系統和非能動安全殼冷卻系統為例，闡述非能動的設計理念在AP1000中的應用，最后簡單說明了廣義非能動的概念。

非能動安全系統；AP1000；廣義非能動

1 非能動安全系統的概念

（1）系統除了不需要外部動力外，既無移動工質，又無移動的機械部件。這是利用了系統的固有屬性，例如冷源和熱源之間熱連續通道的熱傳導和熱輻射。（2）系統動作由內部參數變化引起，在實現其功能過程中有工質的流動但無運動的機械部件。例如在熱源和熱阱之間沿某一特定通道的自然循環，采用液閥或密度鎖。（3）系統功能基于不可逆動作或變化的某些設備，如安全隔離膜、止回閥、彈簧式安全閥和噴注箱等。他們具有運動部件，但因不需要外部動力，仍屬于非能動設備范疇。[1]當有突發性事件發生時，如自然災害或操作人員運行失誤，非能動安全余熱排出系統能在一定程度上保證反應堆安全，即可以順利將反應堆中的熱量帶出堆芯，防止堆芯熔毀，相對于僅依靠電力或其他機械部件的驅動維持反應堆安全的能動系統，非能動的安全系統的設計理念對于工程安全領域是一次飛躍。從非能動的概念中可以看出，非能動并不是代表著完全可靠或者說非能動技術完全優于能動技術，只是在原理上擁有著固有安全性，隨核電站技術水平的不斷提高，其對非能動安全技術的可靠性仍會不斷地有更高的要求。盡可能地將能動與非能動系統有機地結合以極大地提高核電站的可靠性是系統安全運行的強有力的保障。有關學者將現有的非能動技術分類，主要有如下幾種類型：自然循環類型、重力作用類型、慣性作用類型、溫差傳遞類型、材料效應類型、體積變化類型、虹吸效應類型、密度鎖類型、負反饋類型、壓力作用類型、逆止閥類型、氫氣復合器等。

2 非能動安全系統的應用

AP1000采用了先進的非能動技術，在此基礎上也簡化核電廠房設計，提高了安全性和可維修性，同時也增強了核電站的可靠性和運行能力。作為較為成熟的壓水堆技術，世界上絕大多數的壓水堆都采用了AP1000作為研究基礎。為了實現平穩安全的運行性能，AP1000采取了保守的壓水堆技術，將自然循環能力作為其安全系統的特點，在核電站設計之初強調了非能動技術理念的貫徹，安全系統多是采用如重力、慣性、密度差、對流等自然驅動力來實現對反應堆在緊急情況下的安全保障等措施。例如在全廠失電的情況下，控制棒靠重力下落至反應堆芯中實現緊急停堆；在主冷卻劑泵上設有飛輪以增加慣性，即使主泵斷電仍可依靠惰轉持續將反應堆中的余熱帶出，防止出現堆芯熔毀事故；通過布置高位水箱，增加水的重力勢能，在回路上升段采取注氣加熱等手段，改變上升段流體密度甚至出現兩相流動的情況，以增加自然循環的驅動力，加速將熱量帶出。

AP1000重要的非能動安全設施包括非能動余熱排出系統和非能動安全殼冷卻系統（PCS）。在發生全廠斷電或電源喪失的情況下，泵類等機械設備不能正常工作，一回路依靠主冷卻劑系統的自然循環將反應堆堆芯余熱排至蒸汽發生器，同時蒸汽發生器與冷卻器所在的二回路也發生著應急給水的自然循環，這時三回路將從二回路吸收的熱量依靠一定的自然循環能力傳遞給最終的熱阱即海水，以非能動的形式排除堆芯余熱。同時注意到要持續地使回路中工質保持自然循環需要一定的驅動力，當剩余熱量的排出達到一定的程度時，系統由于密度差所帶來的自然循環驅動力不足以維持其繼續進行，此時工質的流動出現了暫歇現象，直到反應堆積累的熱量又一次達到驅動三個回路繼續運行的最低驅動要求為止，非能動余熱排出系統才能繼續運行，所以這是一個間斷性的余熱排出過程。由于這個過程中仍然受制于一些不可控因素而導致系統失效，由此可看出此系統實際上并不是最優的，目前來說只有實現能動與非能動技術的結合應用，才能最大化的保證系統的安全。

另一個應用于AP1000的重要非能動安全設施是非能動安全殼冷卻系統（PCS）。若在安全殼所包容的一回路出現管道或設備破口，高溫高壓具有放射性蒸汽的泄漏使安全殼內壓力上升，非能動安全殼冷卻系統投入運行。PSA系統中最重要的部件是采用雙層設計的安全殼結構，內表面是鋼制材料并將其作為傳熱表面，外表面是鋼筋混凝土的屏蔽結構。殼內產生的蒸汽在冷的鋼制材料的內表面凝結放熱，經由鋼制殼的熱傳導傳至鋼殼的外表面。在鋼殼體的外表面通過熱對流、熱輻射將熱量傳遞給外側的水和空氣。同時廠房內的空氣通過導流裝置順著安全殼外部逐級上升，在上升過程中不斷帶走安全殼外部的熱量，最后通過上部的排氣裝置返回到環境中，形成自然循環。在上部設置有儲水箱，當安全殼溫度達到設定值時，高位儲水箱向受熱的鋼制安全殼噴淋冷卻。

3 廣義非能動系統

韓旭等人提出了廣義非能動的觀念：一個系統具有非能動的特性，即高可靠性、簡捷性、自動性，其功能所需的能量來自于系統能量或其能源子系統，其時間空間特性滿足應用的要求，則此系統定義為廣義非能動系統。廣義非能動系統在功能上與一般意義上的非能動系統是相似的，其應用于核電站設計上可進一步提高核電站的安全水平。

4 結論

AP1000核電廠被設計為一種能滿足要求并能在世界范圍內廣泛適用的先進技術，作為較為典型的非能動型核電廠，它除了在設計上擁有核電站的固有安全性，還能最大限度的簡化核電站的總體設計及建設成本，相比前幾代堆型其運行成本及維修造價也能有較大的降低，對于核電廠的經濟性發展和安全水平的大幅度提高有明顯的促進作用。對非能動技術的深入研究是能源領域的挑戰，同時要將能動技術與非能動技術有機結合，注重技術革新，強調其在核安全中的重要作用，是核領域研究學者不斷面對的挑戰。

[1]彭敏俊，王兆祥.船舶核動力裝置[M].北京：原子能出版社，2009.8

[2]西屋電氣公司.西屋公司的AP1000先進非能動型核電廠[J].現代電力,2006.10，23（5）.

[3]周濤，李精精，汝小龍等.核電機組非能動技術的應用及其發展[J].中國電機工程學報，2013.3，33（8）.