“華龍一號”示范工程獨立驗證管理實踐

楊為城,祝 圓,薛峻峰

(福建福清核電有限公司,福建 福清 350318)

國家核安全局頒布的核安全法規 《HAF102核動力廠設計安全評價》及核安全導則《HAF102/17核動力廠安全評價與驗證》明確要求在核電項目設計階段應組織開展安全評價的獨立驗證工作;福島事故后國家核安全局編制的《“十二五”期間新建核電廠安全要求 (征求意見稿)》對獨立驗證工作提出了更為明確的要求。獨立驗證是由營運單位組織,由一組熟悉核電廠設計,并熟悉安全分析和安全評價工作的專業人員對設計單位進行的安全評價進行審查,確認安全評價是否滿足適用的安全要求[1],也是對重大技術方案的獨立第三方技術驗證。

福清核電5、6號機組作為 “華龍一號”全球首堆示范工程,設計上采用能動與非能動相結合的設計理念,考慮了超設計基準事故和嚴重事故預防與緩解措施,吸收福島核事故的經驗反饋,采取相應的安全改進。按國家核安全局總體審評方案要求 “華龍一號”獨立驗證由福清核電有限公司組織,并以 “華龍一號”重要安全設計改進可能產生的影響、保障運行安全的技術等為重點”。

本文以福清5、6號機組非能動安全殼熱量導出系統 (PCS)設計安全評價獨立驗證實驗項目為例,系統論述了 “華龍一號”首堆工程安全評價獨立驗證的工作流程和管理模式,包括驗證實施方式、項目選取原則、技術承包商選取、項目組織管理和實施、成果審評驗收等細則,并通過福清5、6號機組獨立驗證工作的順利有效推進驗證了該管理模式的可行性。圖1為福清5、6號機組獨立驗證工作的主要步驟。

圖1 獨立驗證工作流程圖Fig.1 Independent verification flow chart

1 獨立驗證的方法

安全評價獨立驗證工作的要求主要有以下幾點:

1)核電廠營運單位應在設計和建造過程中完成設計安全評價獨立驗證工作;

2)獨立驗證由營運單位組織實施,參與人員應盡可能獨立于核動力廠的設計者和進行安全評價的人員;

3)獨立驗證可采取與設計階段安全分析和評價類似的方式;

4)獨立驗證的范圍是報送國家核安全監管部門報批的設計;

5)營運單位對獨立驗證負有完全責任。

根據導則的要求與建議,并結合相關設計單位和研究院所在核電設計安全分析和評價中所采用的方式,得出獨立驗證可以通過以下幾種方式開展。

1)實驗驗證:由核電廠運營單位組織獨立的一組專業人員,對本工程的重要安全設計進行實驗驗證,主要通過縮小比例模擬實驗方式進行;

2)計算分析:由核電廠運營單位組織獨立的一組專業人員通過計算機建模,對本工程的重要安全設計進行計算分析和評價;

3)實驗見證:由核電廠運營單位組織對設計單位的重大實驗活動進行現場獨立見證,監督過程和結果,并撰寫見證報告。

對于一些創新性的重要安全系統設計的驗證,尤其是未經過工程實踐檢驗的,應作為重點驗證項目,采用實驗或計算分析的方式進行,提高獨立驗證工作的獨立性和有效性。若采用實驗驗證,應考慮開展實驗的外部條件,如技術力量、經濟可行性、時間周期等,制定合適的實驗驗證方案;若采用計算分析,可考慮采用不同計算軟件或不同的建模方法對原設計進行評價驗證。

2 獨立驗證項目管理與實踐

2.1 獨立驗證選題

獨立驗證的選題應從機組技術特點、審評關注重點兩方面確定。對于技術技術特點,可通過查閱技術文件獲取,也可以通過與設計單位的技術交流來獲取更為全面的信息。業主單位根據技術特點初步確定獨立驗證的范圍后,應深入開展與核安全監管部門的溝通,同時梳理分析已提出的審評問題,找出核安全審評的的重點和監管部門的關注問題,在此基礎上擬定獨立驗證選題和驗證方式,并就獨立驗證選題與監管部門進行充分的溝通,在獲得認可以后方可進入下一步實施工作,確保獨立驗證的選題滿足核安全審評要求。

具體項目驗證方式的選擇,應結合技術可行性、進度、費用等方面條件,以及潛在外委承包商技術能力和硬件條件,綜合考慮確定各項目的驗證方式。

在以上工作基礎上,為確定各項目統一管理要求,業主單位應編制獨立驗證工作大綱,將獨立驗證的項目、驗證方式予以固化,同時提出獨立驗證的總體進度、項目管理相關要求。

“華龍一號”的重要技術創新非能動系統配置包括非能動安全殼熱量導出系統 (PCS)、二次側非能動余熱排出系統 (PRS)和堆腔注水冷卻系統 (CIS),這些新增的非能動系統均是為了提高核安全性,并且屬于首次應用于工程,因此在獨立驗證中作為重點系統設計進行驗證。圖2為 “華龍一號”主要安全系統示意圖。

“華龍一號”延長了操縱員事故后不干預時間,提高電廠固有安全性,針對在一些典型事故工況下反應堆設計特性,選取設計基準事故蒸汽發生器傳熱管破裂 (SGTR)、中破口 (LOCA)進行事故分析。此外 “華龍一號”采用雙層安全殼,作為結構設計上的重大創新,安全殼在極限工況下的承載能力也確定為重點驗證項目。另外選取科研試驗階段重要實驗項目進行見證,作為獨立驗證的一種補充。“華龍一號”示范工程獨立驗證項目和驗證方式見表1。

圖2 “華龍一號”主要安全系統示意圖Fig.2 Main safety system of HPR1000

表1 福清5、6號機組獨立驗證項目清單及驗證方式Table 1 Independent verification projects in Fuqing 5&6

以PCS為例,在嚴重事故工況下,PCS建立安全殼內外的自然循環,將殼內熱量導出到殼外,從而保證將安全殼內壓力和溫度降低至安全水平,保持安全殼完整性。設計單位在科研階段已進行了較深入的科研工作,包括大量的計算分析和自然循環模擬實驗。但同時該系統也是首次應用于工程實踐,故作為重點驗證項目,在驗證方式選擇上,由于該系統原理上是依靠重力驅動的自然循環而發揮作用,因此優先考慮實驗驗證方式來模擬自然循環過程。經過調研了解,為驗證 “華龍一號”PCS系統設計的可行性,中核集團在哈爾濱工程大學建設了 “PCS系統綜合性能驗證實驗裝置”,在該實驗裝置上,已完成了ACP1000和ACP100PCS性能驗證實驗。目前該實驗裝置仍然可用,且供電、供水及供氣等相關場地資源滿足實驗驗證要求,因此從技術可實施性、資金投入、驗證有效性等方面綜合考慮,確定通過模擬實驗的方式進行PCS系統的獨立驗證。圖3為 “華龍一號”非能動安全殼冷卻系統流程圖 (單個系列)。

圖3 “華龍一號”非能動安全殼冷卻系統流程圖Fig.3 The flowchart of the passive contain ment heat removal system of HPR1000

2.2 獨立驗證技術方案確定

獨立驗證項目技術方案主要包括驗證的目的、實驗或計算方法、實驗工況或事故序列選取、實驗裝置或計算軟件系統說明、實驗或計算主要步驟等內容。技術方案的確定可分為以下幾個步驟進行:確定驗證目的和方法→編制技術規格書→確定技術外委承包商→聯合制定技術方案→通過NNSA專家審查→發布驗證技術方案。

業主單位根據驗證目的和工作內容等制定各項目的技術規格書。技術規格書明確項目的工作范圍、驗證目的、承包商職責與資質要求、管理與接口要求、文件要求、質量保證、進度要求、驗收要求等內容。技術規格書是確定獨立驗證實施技術方案的第一步,是各項目后續工作開展的依據[2]。

在技術服務承包商選擇方面,對于實驗項目,考慮資金投入和進度因素,優先考慮有現成可利用實驗裝置 (加以改造)的單位進行合作,同時應注意項目參與人員的獨立性,并在技術規格書和合同中予以明確;對于計算分析項目,可以考慮開設核工程專業的高等院校、未參與本項目核工程科研設計單位,由于一些計算項目可能涉及到原設計單位的商業秘密,因此優先考慮高等院校進行合作。

在確定技術服務承包商后,承包商按照技術規格書要求與業主單位共同制定詳細的項目實施技術方案。此項工作牽涉驗證項目實施的最終效果,因此在技術方案初步確定后,應組織外部專家,尤其是NNSA專家對技術方案進行審查認可至關重要,以確保驗證技術方案符合審評要求,為后續審評結果獲得認可奠定基礎。

PCS系統獨立驗證項目采用實驗驗證的方法,在科研階段由總承包單位組織開展了全高度、全壓力的綜合驗證實驗模擬實際運行參數,確認PCS設計的有效性。本次獨立驗證選擇與哈爾濱工程大學合作開展實驗研究工作,經分析研究并與科研階段實驗開展情況進行對比,共確定了包括設計工況、水位、阻力、低壓、SBO(全廠斷電)五大類工況,對原系統設計進行較為全面的實驗驗證。圖4為位于哈爾濱工程大學的 “華龍一號”非能動安全殼冷卻系統實驗裝置。

2.3 獨立驗證實施過程管理

2.3.1 建立項目管理組織機構

由于項目實施周期較長,成立專門的項目管理機構有利于理順接口,順利推進項目實施。PCS項目在項目實施大綱中明確了以業主人員擔任組長,承包商擔任技術負責人,并由雙方指定人員負責項目日常管理、質量安全、實驗執行、項目驗收等各項工作。

2.3.2 獨立驗證實施過程的管理和技術參與

實驗或計算分析過程中,業主應從項目管理和技術參與兩方面對實施過程進行管控。項目管理方面,側重于實施進度控制、質量管理、人員資質審查、數據點記錄等工作。另外應盡量深入技術工作的參與,通過深層次參與實驗過程,更好地了解系統設計原理,為系統設計改進提出建議,并盡可能為后續的系統調試、運行規程編制等工作打下基礎。

圖4 “華龍一號”非能動安全殼冷卻系統實驗裝置Fig.4 The experi mental device for the passive contain ment heat re moval syste m of HPR1000

對于項目實施過程中的重大節點,應組織審評或見證,尤其是應邀請NNSA相關專家參加,在實施過程中消化解決審評部門關注的問題,避免后續審評階段再次出現遺留問題。

在PCS實驗開展過程中,業主派技術人員全程參與了驗證實驗,并邀請NNSA等外部專家對實驗前狀態檢查、部分實驗工況進行了見證,確保實驗執行符合技術文件要求。圖5為PCS實驗執行主要步驟流程圖,并給出了業主在各階段工作中的工作側重點。

2.4 獨立驗證成果報告編制與項目驗收

實驗或計算分析完成后,編制實驗或計算分析報告,報告應包括實驗數據分析或計算分析結果,并給出明確的驗證結論。對于實驗驗證項目其報告的主要內容包括:項目綜述、研究目的、技術方案、實驗臺架設計、實驗工況、實驗步驟、實驗裝置調試情況、實驗執行情況、數據分析結果、獨立驗證結論。

項目的驗收審查,包括承包商按照其內部質保體系的內部驗收和業主單位的外部驗收。對于外部驗收,通常采用專家審查會的形式進行。驗收審查的依據是項目技術規格書、外委合同、質量管理文件和項目實施方案。驗收審查應對項目技術規格書對相關的過程記錄文件進行查閱,確認其有效性,驗證分析結論的全面性和準確性進行審查。在此過程中仍然需要NNSA專家的參與,并根據專家的意見對驗證報告進行修改完善,如有必要還需要根據專家意見補充開展計算分析或實驗工作,直至滿足驗收審查意見要求方可通過驗收審查。

圖5 PCS實驗執行主要步驟流程圖Fig.5 Main step flowchart of PCSexperi ment

3 實施效果和評價

福清5、6號機組獨立驗證工作自2013年開始策劃至2017年7月,目前所有項目基本都已按計劃實施完成,取得了可信的驗證評價結果,獨立驗證的結果也驗證了原設計單位對相關設計安全評價的有效性,證明了 “華龍一號”在提高機組安全性方面的設計改進能夠有效提高機組事故預防和緩解能力,提高核安全性能。各項目均順利通過了驗收審查,在項目實施過程中多次組織外部專家評審和見證,獲得了相關方認可。同時在知識產權保護方面也已取得一定成績,部分專利正在申報中。

仍以PCS項目為例,該項目于2016年4月份通過實施大綱審查,并于2016年7月28日完成了全部工況實驗,實驗過程符合技術文件要求。根據實驗現象和實驗數據分析得出,在超設計基準事故工況下安全殼的長期排熱能力滿足設計要求,在電站發生超設計基準事故(包括嚴重事故)時,PCS能夠將安全殼壓力和溫度降低至可以接受的水平,保持安全殼完整性,原設計單位對PCS系統設計安全評價的是可信、正確的[3]。

4 結束語

福清核電結合核安全法規要求、核安全審評情況和 “華龍一號”技術特點,制定了 “華龍一號”示范工程獨立驗證的管理體系,包括獨立驗證項目選取、驗證方式確定、承包商選擇、技術方案審查、項目實施過程管理、技術工作的參與、工作成果驗收等各個階段的工作要求。在福清核電5、6號機組獨立驗證工作實施過程中,各項技術環節均按照相關要求進行管理,實踐證明該管理體系能夠有效保證獨立驗證工作的質量滿足法規和項目技術要求,及時有效的管理和實時的監控項目進度,是確保獨立驗證工作順利實施的必備條件。獨立驗證工作的順利完成既可以滿足法規對獨立驗證工作的要求,同時也有助于營運單位更好履行核安全管理職能和安全評價獨立驗證的職責,為 “華龍一號”首堆示范工程項目首次裝料申請和順利建成邁出了堅實的一步。同時本文提出的一套在建核電工程安全評價獨立驗證管理體系也可作為后續同類項目開展獨立驗證工作的參考,具有一定推廣價值。

[1]核動力廠安全評價與驗證:HAD102/17[S]．國家核安全局,2006.HAD 102/17:Safety evaluation and verification of nuclear power plant,NNSA,2006-6-5．

[2]顧健,等.福清核電一期工程安全評價的獨立驗證管理體系 [J]．核安全,2012(4)．Safety evaluation independent verification management system of Fuqing Nuclear Power Plant Unit 1&2[J]．Nuclear Safety,2012-4．

[3]福清 “華龍一號”非能動安全殼熱量導出系統 (PCS)獨立驗證分析評價報告:HEU-ACP1000-PCS-2016013[R]．哈爾濱工程大學,2017．HEU-ACP1000-PCS-2016013,independent verification analysis and evaluation report of HPR1000 passive containment heat removal system[R]．2017-3,Harbin Engineering University．