基于抗大飛機(jī)撞擊的“華龍一號(hào)”燃料廠房的優(yōu)化設(shè)計(jì)

貝 晨,賈小攀

(中國核電工程有限公司,北京 100840)

“華龍一號(hào)”是具有能動(dòng)和非能動(dòng)相結(jié)合安全特性的先進(jìn)核電技術(shù)。“華龍一號(hào)”充分借鑒融合了第三代核電技術(shù)的先進(jìn)理念和我國現(xiàn)有的核電廠設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),以及福島核事故經(jīng)驗(yàn)反饋,滿足我國最新核安全法規(guī)要求,滿足三代核電技術(shù)的總體指標(biāo)[1-2]。

目前,國際上第三代核電廠的核島廠房設(shè)計(jì)過程中均考慮了商用大飛機(jī)的撞擊影響,我國第三代核電 “華龍一號(hào)”同樣需要考慮抗商用大飛機(jī)的撞擊。對(duì)于大飛機(jī)撞擊的評(píng)估準(zhǔn)則,國內(nèi)和國際的三代機(jī)組設(shè)計(jì)基本都沿用了NEI07-13(第八版)文件中的規(guī)定。目前,國內(nèi)即將升版的HAF102也將抵抗大型商用飛機(jī)撞擊列入了核電站設(shè)計(jì)要求當(dāng)中,而NEI的防大型商用飛機(jī)撞擊評(píng)估導(dǎo)則已基本得到了核安全局的認(rèn)可,即:反應(yīng)堆保持被冷卻,或安全殼保持完整性;乏燃料保持被冷卻,或乏燃料池保持完整性。雙層安全殼設(shè)計(jì),避免在該類事故下出現(xiàn)放射性大量釋放。

目前,有許多國內(nèi)外學(xué)者都對(duì)大型商用飛機(jī)撞擊核電廠進(jìn)行了研究,為核電廠安全殼的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)[3-5]。在 “華龍一號(hào)”設(shè)計(jì)方案中燃料廠房被APC(Anti plane crash)殼保護(hù),APC殼與內(nèi)部結(jié)構(gòu)不相連,可抵御外部飛機(jī)撞擊。

APC殼可以有效的防止大飛機(jī)撞擊對(duì)設(shè)備、系統(tǒng)、部件產(chǎn)生振動(dòng)影響,防止撞擊后墻體碎片產(chǎn)生內(nèi)部飛射物對(duì)系統(tǒng)、部件造成傷害。但APC殼厚達(dá)1.8 m,對(duì)廠址地基條件的要求很高,對(duì)于地基承耐力不夠的廠址可能存在廠房沉降的問題。并且每增加1 m3混凝土就會(huì)增加大約0.1萬元的成本,相應(yīng)的鋼筋及套筒錨固塊的花費(fèi)也會(huì)增加。在風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、水力發(fā)電以及國內(nèi)外核電市場的競爭下,提高經(jīng)濟(jì)性對(duì)于提高核電廠的市場競爭力至關(guān)重要[6-7]。

本研究基于漳州 “華龍一號(hào)”核電廠改進(jìn)項(xiàng)目,對(duì)燃料廠房進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。取消了燃料廠房的APC殼,采用單層厚墻抵御商用大飛機(jī)的撞擊,提出了兩種布置方案,在保證核電廠安全的條件下提高其經(jīng)濟(jì)性。

1 燃料廠房概述

燃料廠房主要用于燃料裝卸、運(yùn)輸、儲(chǔ)存系統(tǒng)的設(shè)備布置及操作,主要布置有反應(yīng)堆換料水池和乏燃料水池冷卻及處理系統(tǒng)、重要廠用水系統(tǒng),燃料廠房通風(fēng)系統(tǒng)、設(shè)備冷卻水系統(tǒng)、核取樣系統(tǒng)以及蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)的設(shè)備和管道。

“華龍一號(hào)”燃料廠房按標(biāo)高主要分為9層。其中燃料廠房左側(cè)±0.00 m以上主要布置了用于燃料操作與儲(chǔ)存系統(tǒng)的設(shè)備及操作設(shè)備,±0.00 m以下主要布置反應(yīng)堆換料水池和乏燃料水池冷卻及處理系統(tǒng)的設(shè)備及管道。燃料廠房右側(cè)主要布置設(shè)備冷卻水系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備及管道、反應(yīng)堆主設(shè)備的運(yùn)輸通道及安全殼環(huán)形空間通風(fēng)系統(tǒng)等。圖1為 “華龍一號(hào)”燃料廠房±0 m的布置圖。

圖1 “華龍一號(hào)”燃料廠房±0 m的布置圖Fig.1 The layout of t he f uel building of HPR1000 at±0 m

反應(yīng)堆換料水池和乏燃料水池冷卻及處理系統(tǒng)的主要功能是通過乏燃料水池冷卻回路來排出貯存的已輻照燃料元件所釋放的余熱。乏燃料水池 (簡稱 “乏池”)的主要功能是儲(chǔ)存輻照過的乏燃料及將要運(yùn)至堆腔的新燃料并提供生物防護(hù)用的水層。燃料轉(zhuǎn)運(yùn)倉內(nèi)設(shè)有燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置,用于新乏燃料組件在乏池和反應(yīng)堆之前的運(yùn)輸。

“華龍一號(hào)”燃料廠房的采用雙層安全殼設(shè)計(jì),內(nèi)墻厚度為1 m,APC殼厚度為1.8 m,內(nèi)墻和APC殼的間隙是0.7 m。APC殼環(huán)繞燃料廠房的左側(cè)、右側(cè)和遠(yuǎn)離反應(yīng)堆廠房一側(cè),如圖1所示。APC混凝土殼與內(nèi)部結(jié)構(gòu)不相連,可抵御外部飛機(jī)撞擊,燃料廠房與反應(yīng)堆廠房在同一筏基上。

2 燃料廠房改進(jìn)方案

燃料廠房是核電廠的重要組成部分,如果乏池破損泄露,將導(dǎo)致乏燃料組件暴露并氧化升溫,包殼發(fā)生鋯水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣引起爆炸[8]。而且乏燃料組件有很強(qiáng)的放射性,如果發(fā)生泄露事故后果不堪設(shè)。因此保證乏池和燃料轉(zhuǎn)運(yùn)倉的完整性至關(guān)重要,需要針對(duì)這兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)。本文對(duì)漳州 “華龍一號(hào)”核電廠的燃料廠房提出了兩種改進(jìn)方案。

2.1 布置方案一

燃料廠房改進(jìn)方案一取消了1.8 m的APC殼,采用局部雙層空心墻的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行防護(hù)。

在原 “華龍一號(hào)”的設(shè)計(jì)方案中,燃料廠房的-8.25 m層的左側(cè)與安全廠房的連接區(qū)布置了樓梯間和管道間,在管道間內(nèi)布置有從安全廠房穿到燃料廠房的設(shè)備冷卻水管道,如圖2中紅圈所示。為保證原方案中管道的布置空間不被縮小,相對(duì)位置不發(fā)生變化,在改進(jìn)方案一中,以原方案中燃料廠房左側(cè)APC殼的內(nèi)側(cè)作為現(xiàn)燃料廠房左側(cè)墻體的內(nèi)側(cè),墻體厚度設(shè)計(jì)為1.5 m。

圖2 “華龍一號(hào)”燃料廠房-8.25 m布置圖Fig.2 The layout of the f uel building of HPR1000 at-8.25 m

圖3 原方案+16.5 m布置圖Fig.3 The layout of the original scheme at+16.5 m

在原方案中燃料廠房的右側(cè)為輔助廠房,為保證兩廠房之間不出現(xiàn)間隙,因此以原燃料廠房右側(cè)APC殼的外側(cè)作為現(xiàn)方案中燃料廠房右側(cè)墻體的外側(cè),墻體厚度設(shè)計(jì)為1.5 m。圖3為原燃料廠房方案中+16.5 m右側(cè)的布置圖。從圖中可以看出,在內(nèi)墻與APC殼之間的縫隙處布置了通風(fēng)風(fēng)道和電纜通道。在改進(jìn)方案一中由于取消了APC殼,相應(yīng)的間隙也隨之消失。為了滿足通風(fēng)風(fēng)道和電纜通道的布置要求,我們利用燃料廠房右側(cè)增加的空間,并參考原有風(fēng)道和電纜通道的位置,布置了通風(fēng)豎井和電纜豎井,如圖4所示。

為保證燃料廠房各房間縱向的寬度不變,以原方案中遠(yuǎn)離反應(yīng)堆廠房一側(cè)APC殼的內(nèi)側(cè)作為現(xiàn)方案一外墻的內(nèi)側(cè),墻體厚度設(shè)計(jì)為1.5 m。在外側(cè)正對(duì)乏池和燃料轉(zhuǎn)運(yùn)倉的外墻位置增加空心墻,墻體厚度為1.5 m,空心墻的間隙為0.7 m。如圖5中橢圓圈所示。

原燃料廠房與反應(yīng)堆廠房間有100 mm的間隙,在方案一中將反應(yīng)堆廠房外殼和燃料廠房連成一體,中間不再設(shè)縫,并且取消了靠近燃料廠房一側(cè)的柱子和墻體。方案一中燃料廠房的屋面厚度從0.8 m增加到1.5 m,廠房凈高度增加1 m,以滿足維修期間吊裝乏池水閘門的要求,方便吊車承軌梁設(shè)計(jì)。

方案一的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是保證燃料廠房內(nèi)各房間的面積不會(huì)減小。現(xiàn)燃料廠房的長度為62.34 m,相比原方案的長度減少了0.3 m,距反應(yīng)堆中心的寬度為49 m,比原來減少了0.3 m,乏池左側(cè)墻外側(cè)比雙層空心墻外側(cè)向里收進(jìn)1.5 m,右側(cè)向里收進(jìn)1.7 m。最終方案一的燃料廠房±0 m的布置圖如圖5所示。

圖4 方案一+16.5 m布置圖Fig.4 The layout of scheme one at+16.5 m

2.2 布置方案二

方案二將乏池、容器裝載井及容器準(zhǔn)備井進(jìn)行重新排列布置。相對(duì)于原方案乏池右側(cè)墻體位置不變,將乏池旋轉(zhuǎn)90°,并布置于靠近反應(yīng)堆廠房一側(cè),容器裝載井和容器準(zhǔn)備井布置于乏池外側(cè),以達(dá)到保護(hù)乏池的目的,相應(yīng)調(diào)整燃料廠房各層布置。但此布置方式導(dǎo)致乏池左側(cè)區(qū)域的面積減小,為緩解此區(qū)域各物項(xiàng)布置緊張的問題,以原方案燃料廠房左側(cè)APC殼外側(cè)作為現(xiàn)方案二左側(cè)墻體的外側(cè),墻體厚度為1.5 m。

同樣為保證燃料廠房與輔助廠房之間不出現(xiàn)間隙,以原方案右側(cè)APC殼外側(cè)作為現(xiàn)方案二右側(cè)墻體的外側(cè),墻體厚度為1.5 m,與方案一相同,這樣以保證通風(fēng)豎井和電纜豎井的布置空間。同樣反應(yīng)堆廠房外殼和燃料廠房連成一體,中間不再設(shè)縫。

圖5 燃料廠房改進(jìn)方案一±0 m布置圖Fig.5 The layout of the f uel building for scheme one at±0 m

燃料廠房遠(yuǎn)離反應(yīng)堆廠房的外側(cè)墻體厚度設(shè)計(jì)為1.5 m。乏燃料容器吊車安裝在燃料廠房操作大廳上空墻體上。吊車的吊鉤服務(wù)中心線要保證距墻3.26 m的距離,容器裝載井和準(zhǔn)備井的操作點(diǎn)要滿足此要求,以保證吊車設(shè)備的操作需求。容器裝載井的寬度為4.12 m,容器準(zhǔn)備井的寬度是4.5 m,所以在方案二的布置中,容器裝載井的中心線到操作大廳上空墻體內(nèi)側(cè)的距離設(shè)計(jì)為3.26 m。乏池和燃料轉(zhuǎn)運(yùn)倉之間墻體的厚度不變,根據(jù)輻射防護(hù)的要求,如果乏池墻壁外滿足綠區(qū)要求,普通混凝土墻壁厚度至少1.95 m。因此,乏池左側(cè)、上側(cè)和下側(cè)的墻體厚度都設(shè)計(jì)為1.95 m。根據(jù)上述設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,最終確定了燃料廠房內(nèi)部各房間的相對(duì)位置關(guān)系。現(xiàn)燃料廠房的長度為62.64 m,與原方案相同,距反應(yīng)堆中心的寬度為48.83 m,比原來減少了0.47 m。最終方案二的燃料廠房+10.8 m的布置圖如圖6所示。

3 布置方案對(duì)比研究

方案一利用雙層空心墻對(duì)乏池和燃料轉(zhuǎn)運(yùn)倉進(jìn)行局部防護(hù),燃料廠房左側(cè)和右側(cè)的外墻較原方案內(nèi)墻向外延伸了一定距離,增大了相應(yīng)房間的面積,保證了房間內(nèi)各物項(xiàng)的使用需求,僅需對(duì)原房間內(nèi)的工藝管道、通風(fēng)管道及電纜通道等 進(jìn)行局部調(diào)整。

圖6 燃料廠房改進(jìn)方案二+10.8 m布置圖Fig.6 The layout of the f uel building for scheme t wo at+10.8 m

由于原燃料廠房的APC殼屋面跨度大、自重大等原因,施工存在一定的技術(shù)難度。方案一取消了APC殼、加厚燃料廠房后使屋面跨度減小,施工的技術(shù)難度有所降低。將反應(yīng)堆廠房外殼和燃料廠房連成一體,有利于提高飛機(jī)撞擊下核島廠房的整體性,并降低了施工難度。

方案二對(duì)燃料廠房進(jìn)行了重新布置,乏池布置在靠近反應(yīng)堆廠房的內(nèi)側(cè),乏池外側(cè)分別布置了容器準(zhǔn)備井、容器裝載井和管道間,以形成對(duì)乏池的防護(hù)作用。但此設(shè)計(jì)改變了乏池左側(cè)區(qū)域的尺寸,左側(cè)各房間需要進(jìn)行調(diào)整,相關(guān)物項(xiàng)和設(shè)備需重新布置,相應(yīng)的工藝管道、通風(fēng)管道以及電纜托盤也都需要重新布置,工作量較大。

為更清晰的對(duì)比各方案的優(yōu)缺點(diǎn),下面通過表1對(duì)各布置方案進(jìn)行總結(jié)。

表1 燃料廠房布置方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 1 The comparison of layout schemes of the fuel building

續(xù)表

4 經(jīng)濟(jì)性分析

取消APC對(duì)核島工程費(fèi)的影響主要有兩個(gè)方面,一是結(jié)構(gòu)主體變化本身的費(fèi)用變化;二是由于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、布置、通風(fēng)設(shè)計(jì)、電儀設(shè)計(jì)和設(shè)備的變化引起的費(fèi)用變化。根據(jù)設(shè)計(jì)方案估算:

單機(jī)組燃料廠房墻體工程量減少6558 m3,板工程量減少848 m3,鋼筋減少2592 t,套筒錨固塊減少18 145個(gè),累計(jì)燃料廠房費(fèi)用減少約3200萬元。

個(gè)別房間局部布局、通風(fēng)豎井等有所修改,該部分修改對(duì)費(fèi)用影響相對(duì)較小,本經(jīng)濟(jì)分析中暫不考慮。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、布置、通風(fēng)設(shè)計(jì)、電儀設(shè)計(jì)和設(shè)備的變化,目前認(rèn)為布置和設(shè)計(jì)優(yōu)化后應(yīng)變化不大,此部分費(fèi)用暫未考慮。

5 結(jié) 論

本研究依托于漳州 “華龍一號(hào)”核電廠的改進(jìn)項(xiàng)目,為確保核電廠可以抵御大飛機(jī)撞擊同時(shí)具有較高的市場競爭力,對(duì)燃料廠房進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,提出了兩種布置方案。

研究發(fā)現(xiàn),取消APC殼可以大大提高核電廠的經(jīng)濟(jì)性。采用雙層空心墻對(duì)乏池和燃料轉(zhuǎn)運(yùn)倉進(jìn)行局部防護(hù)的方式可抵御大飛機(jī)的撞擊,而且該方案對(duì)燃料廠房內(nèi)各房間的改動(dòng)較小,對(duì)其他專業(yè)的影響也較小,改進(jìn)項(xiàng)的完成周期較短,滿足漳州核電廠現(xiàn)階段的工程進(jìn)度。而方案二更能通過布置的方式抵御大飛機(jī)撞擊,并且布局更為合理,但改動(dòng)較大,對(duì)各專業(yè)的影響較大,改進(jìn)項(xiàng)的完成周期較長,不能滿足漳州核電廠現(xiàn)階段的工程進(jìn)度。最終我們選擇方案一作為漳州核電廠燃料廠房的布置方案,方案二作為后續(xù)ACP600項(xiàng)目中燃料廠房的儲(chǔ)備方案。