應對福島核事故AP1000喪失外部電源后的動力源簡介

沈松

摘 要：由地震海嘯引發核電站喪失外部電源是福島核事故的直接原因，最終導致了反應堆熱量無法導出，堆芯損毀。本文介紹了第三代核技術AP1000中運用的非外部電力的動力源，這些動力源在設計上保證了AP1000在喪失外部電源的情況下，仍能完成安全目標，確保反應堆安全可控。

關鍵詞：AP1000；福島核事故；動力源；自然循環；重力；蓄電池直流電源；閥門驅動力

1 前言

2011年3月11日在日本宮城縣東方外海發生了9.0級地震，緊接引起的海嘯，襲擊了日本福島第一核電廠，對福島核電站造成了一系列設備損壞、堆芯融毀、放射性釋放等災害事件，為1986年切爾諾貝利核電廠事故以來最嚴重的核子事故。

當大地震發生時，福島核電站因保護動作自動停堆，廠內發電功能立即停止。正常情況下，電廠可以利用廠外電源驅動冷卻和控制系統，但地震對電力網造成了大規模破壞，廠外電源喪失，因此只好依靠廠區內的緊急柴油發電機組驅動冷卻系統。但是接踵而至的15米大海嘯越過了廠區5.7米海堤，淹沒了地勢較低的柴油發電機組，供給反應堆的交流電源宣告失效，冷卻系統因此停止工作，反應堆開始過熱，釀成悲劇。

從福島核事故我們可以看出，喪失一切交流電源是導致反應堆損毀的直接原因。作為第三代核技術AP1000最先進的設計理念就是采用非能動，在不需要交流電的情況下導出反應堆熱量，確保堆芯安全、完整。接下來我將著重講解AP1000喪失一切交流電源時，為保證完成相關的安全功能，使反應堆處于安全可靠的狀態所使用的各種動力源。

2 AP1000應對福島核事故的措施

假設發生了類似福島核電站喪失交流電源的事故，AP1000機組首先因地震或失電觸發安全停堆，4臺主泵失電后在惰轉飛輪的作用下惰轉，增加強迫循環時間，帶走堆芯更多的熱量。接著非能動余熱排出系統（PRHR）投入運行，依靠冷卻劑的自然循環，將堆芯中的熱量傳遞給安全殼內換料水箱（IRWST），實現一回路降溫。ADS 1、2、3級閥門在直流電源的驅動下依次打開，將一回路冷卻劑排入IRWST，實現一回路降壓。IRWST中的水受熱蒸發，水蒸氣遇到鋼制安全殼內表面凝結后流回IRWST中，水蒸氣的熱量通過安全殼外表面流過的空氣帶走。若僅依靠空氣無法帶走全部熱量，導致安全殼內壓力升高，將觸發位于安全殼頂部的非能動安全殼冷卻水儲存箱（PCCWST），水箱中的水依靠重力沿安全殼外表面向下流動，在外壁形成水膜，水膜蒸發將熱量排到大氣中，作為反應堆的最終熱阱，從而達到降低安全殼內部溫度壓力，導出堆芯熱量的目的。

3第三代核技術AP1000中運用的非交流電動力源

AP1000應對福島核事故的措施中，所有安全系統的運行都不需要依靠交流電源，下面將簡介措施應對過程中所使用的其他動力源。

3.1自然循環

AP1000最重要的設計特點就是無需電源的非能動自然循環。

自然循環的驅動力是水的密度差，建立的條件有四點：連貫的流道，溫度差，高度差，足以克服的摩擦阻力。冷源出口水的密度比熱源出口的大，加上高度差帶來的位能差，使冷源出口水向下流動，熱源出口水向上流動，形成自然循環。

福島核事故最大的挑戰是喪失交流電導致熱量無法導出，最終造成堆芯裸露、損毀。AP1000的非能動余熱排出系統（PRHR）設計為僅依靠冷卻劑的自然循環，無需交流電源即可實現堆芯熱量的導出，確保堆芯冷卻、安全。

當發生事故時，保護信號觸發PRHR熱交換器（PRHR HX）出口氣動閥（不依靠交流電作為驅動力）打開，在PRHR熱交換器與堆芯之間形成連貫的流道。PRHR熱交換器放置在安全殼內換料水箱（IRWST）中，IRWST的溫度低，作為冷源，與堆芯形成溫度差，同時IRWST的位置高于堆芯，形成高度差，所以一回路冷卻劑在密度差的作用下，在PRHR熱交換器和反應堆堆芯之間形成自然循環，將堆芯的熱量帶出，傳遞給IRWST中的冷水，使其蒸發，并最終通過鋼制安全殼將熱量導出至環境大氣中。

3.2重力

簡單的說就是水依靠自身重力，在不需要交流電源的情況下，通過打開水箱的出口閥（可通過蓄電池直流或氣動/彈簧作為驅動力），到達預定地點，完成預定功能。

比如位于安全殼頂部的非能動安全殼冷卻水儲存箱（PCCWST）就是通過水的重力完成核安全功能。當安全殼內壓力超過一定值時，表明安全殼內產生了大量蒸汽，聚集的大量熱量無法通過空氣的自然對流進行冷卻。信號觸發PCCWST保護動作，打開水箱出口閥門（蓄電池直流供電），水通過重力直接流至安全殼表面形成水膜進行冷卻，最終將安全殼內的熱量導出，排至大氣中。

3.3蓄電池直流電源

面對福島核事故這樣喪失一切交流電的緊急情況，不需要外界支持的蓄電池直流電將發揮重要的動力源作用。AP1000的設計中對蓄電池直流電源分成兩部分，即安全相關的1E級直流和UPS系統（IDS）和非安全相關的非1E級直流及UPS系統（EDS）。

IDS向安全停堆的儀表、控制、監測和其它關鍵功能所需要的設備提供可靠的電源。此外，作為非安全相關功能，IDS通過非1E級電廠照明系統（ELS），給主控室（MCR）和遠程停堆工作站（RSW）提供正常和應急照明電源。

比如PCCWST出口閥就是由IDS直流電提供的動力，從而保證喪失交流電時，該出口閥仍能可靠打開，完成PCCWST的安全功能。

EDS為電廠非1E級直流和交流負荷提供直流電和不間斷交流電源，對提供電廠運行和投資保護起關鍵作用，同時為安全殼內氫氣點火器提供電源。另外，還有第三個子系統，EDS-5用于提供大電機直流電源，包括應急潤滑油泵和應急密封油泵。

3.4閥門驅動力

AP1000電站中閥門類型很多，有氣動閥、電動閥、電磁閥、爆破閥等。這樣設置的目的是為了增加多樣性，避免因相同故障導致全部閥門失效，增加機組的安全性。面對喪失交流電，AP1000安全相關閥門的驅動方案也是多樣的。

比如氣動閥門，正常情況下，氣動閥門內充入壓縮空氣，用以壓縮或拉伸閥門內的彈簧使閥門處于所需位置。當失去交流電時，壓縮空氣喪失泄壓，閥門在彈簧力的作用下變成我們所希望的安全開關狀態，完成其安全相關功能。PRHR HX熱交換器出口氣動閥就是這樣的閥門。

因此即使失去外部電源，通過閥門自身的多樣性驅動力，操縱員仍能將這些安全相關的閥門置于安全位置，保證安全功能順利實現。

4總結

通過以上的分析簡介，AP1000在喪失交流電源的初始72小時內，不依靠外界動力源，可以實現電站設計的安全功能，保證反應堆冷卻，防止堆芯裸露，放射性物質釋放。AP1000核電站的非能動設計增強了核電站的安全水平，提高了抵抗自然災難、各類事故的能力。面對福島核事故，AP1000核電站是有能力應對，并保證電站安全的，同時通過福島核事故的例子也告訴我們，地震、海嘯等事故僅僅是個開始，因核燃料的特殊性，后續還需要一系列的措施應對極端的自然災害。 首要做好緊急電源的保護，盡快恢復廠外交流電源和柴油發電機，保證電力供應。72小時后要做好冷卻水源的保護和恢復，確保機組有足夠的水源持續冷卻反應堆。

參考文獻：

[1]ILO-SYS-PXS-PP-CH Rev 0

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