基于抗大飛機撞擊的“華龍一號”燃料廠房的優化設計

貝 晨,賈小攀

(中國核電工程有限公司,北京 100840)

“華龍一號”是具有能動和非能動相結合安全特性的先進核電技術。“華龍一號”充分借鑒融合了第三代核電技術的先進理念和我國現有的核電廠設計經驗,以及福島核事故經驗反饋,滿足我國最新核安全法規要求,滿足三代核電技術的總體指標[1-2]。

目前,國際上第三代核電廠的核島廠房設計過程中均考慮了商用大飛機的撞擊影響,我國第三代核電 “華龍一號”同樣需要考慮抗商用大飛機的撞擊。對于大飛機撞擊的評估準則,國內和國際的三代機組設計基本都沿用了NEI07-13(第八版)文件中的規定。目前,國內即將升版的HAF102也將抵抗大型商用飛機撞擊列入了核電站設計要求當中,而NEI的防大型商用飛機撞擊評估導則已基本得到了核安全局的認可,即:反應堆保持被冷卻,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。雙層安全殼設計,避免在該類事故下出現放射性大量釋放。

目前,有許多國內外學者都對大型商用飛機撞擊核電廠進行了研究,為核電廠安全殼的設計奠定了基礎[3-5]。在 “華龍一號”設計方案中燃料廠房被APC(Anti plane crash)殼保護,APC殼與內部結構不相連,可抵御外部飛機撞擊。

APC殼可以有效的防止大飛機撞擊對設備、系統、部件產生振動影響,防止撞擊后墻體碎片產生內部飛射物對系統、部件造成傷害。但APC殼厚達1.8 m,對廠址地基條件的要求很高,對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混凝土就會增加大約0.1萬元的成本,相應的鋼筋及套筒錨固塊的花費也會增加。在風力發電、光伏發電、水力發電以及國內外核電市場的競爭下,提高經濟性對于提高核電廠的市場競爭力至關重要[6-7]。

本研究基于漳州 “華龍一號”核電廠改進項目,對燃料廠房進行設計優化。取消了燃料廠房的APC殼,采用單層厚墻抵御商用大飛機的撞擊,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濟性。

1 燃料廠房概述

燃料廠房主要用于燃料裝卸、運輸、儲存系統的設備布置及操作,主要布置有反應堆換料水池和乏燃料水池冷卻及處理系統、重要廠用水系統,燃料廠房通風系統、設備冷卻水系統、核取樣系統以及蒸汽發生器排污系統的設備和管道。

“華龍一號”燃料廠房按標高主要分為9層。其中燃料廠房左側±0.00 m以上主要布置了用于燃料操作與儲存系統的設備及操作設備,±0.00 m以下主要布置反應堆換料水池和乏燃料水池冷卻及處理系統的設備及管道。燃料廠房右側主要布置設備冷卻水系統相關設備及管道、反應堆主設備的運輸通道及安全殼環形空間通風系統等。圖1為 “華龍一號”燃料廠房±0 m的布置圖。

圖1 “華龍一號”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

反應堆換料水池和乏燃料水池冷卻及處理系統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”)的主要功能是儲存輻照過的乏燃料及將要運至堆腔的新燃料并提供生物防護用的水層。燃料轉運倉內設有燃料轉運裝置,用于新乏燃料組件在乏池和反應堆之前的運輸。

“華龍一號”燃料廠房的采用雙層安全殼設計,內墻厚度為1 m,APC殼厚度為1.8 m,內墻和APC殼的間隙是0.7 m。APC殼環繞燃料廠房的左側、右側和遠離反應堆廠房一側,如圖1所示。APC混凝土殼與內部結構不相連,可抵御外部飛機撞擊,燃料廠房與反應堆廠房在同一筏基上。

2 燃料廠房改進方案

燃料廠房是核電廠的重要組成部分,如果乏池破損泄露,將導致乏燃料組件暴露并氧化升溫,包殼發生鋯水反應產生氫氣引起爆炸[8]。而且乏燃料組件有很強的放射性,如果發生泄露事故后果不堪設。因此保證乏池和燃料轉運倉的完整性至關重要,需要針對這兩個區域進行重點防護。本文對漳州 “華龍一號”核電廠的燃料廠房提出了兩種改進方案。

2.1 布置方案一

燃料廠房改進方案一取消了1.8 m的APC殼,采用局部雙層空心墻的設計方式進行防護。

在原 “華龍一號”的設計方案中,燃料廠房的-8.25 m層的左側與安全廠房的連接區布置了樓梯間和管道間,在管道間內布置有從安全廠房穿到燃料廠房的設備冷卻水管道,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,相對位置不發生變化,在改進方案一中,以原方案中燃料廠房左側APC殼的內側作為現燃料廠房左側墻體的內側,墻體厚度設計為1.5 m。

圖2 “華龍一號”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為輔助廠房,為保證兩廠房之間不出現間隙,因此以原燃料廠房右側APC殼的外側作為現方案中燃料廠房右側墻體的外側,墻體厚度設計為1.5 m。圖3為原燃料廠房方案中+16.5 m右側的布置圖。從圖中可以看出,在內墻與APC殼之間的縫隙處布置了通風風道和電纜通道。在改進方案一中由于取消了APC殼,相應的間隙也隨之消失。為了滿足通風風道和電纜通道的布置要求,我們利用燃料廠房右側增加的空間,并參考原有風道和電纜通道的位置,布置了通風豎井和電纜豎井,如圖4所示。

為保證燃料廠房各房間縱向的寬度不變,以原方案中遠離反應堆廠房一側APC殼的內側作為現方案一外墻的內側,墻體厚度設計為1.5 m。在外側正對乏池和燃料轉運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。

原燃料廠房與反應堆廠房間有100 mm的間隙,在方案一中將反應堆廠房外殼和燃料廠房連成一體,中間不再設縫,并且取消了靠近燃料廠房一側的柱子和墻體。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,方便吊車承軌梁設計。

方案一的設計準則是保證燃料廠房內各房間的面積不會減小。現燃料廠房的長度為62.34 m,相比原方案的長度減少了0.3 m,距反應堆中心的寬度為49 m,比原來減少了0.3 m,乏池左側墻外側比雙層空心墻外側向里收進1.5 m,右側向里收進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備井進行重新排列布置。相對于原方案乏池右側墻體位置不變,將乏池旋轉90°,并布置于靠近反應堆廠房一側,容器裝載井和容器準備井布置于乏池外側,以達到保護乏池的目的,相應調整燃料廠房各層布置。但此布置方式導致乏池左側區域的面積減小,為緩解此區域各物項布置緊張的問題,以原方案燃料廠房左側APC殼外側作為現方案二左側墻體的外側,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間隙,以原方案右側APC殼外側作為現方案二右側墻體的外側,墻體厚度為1.5 m,與方案一相同,這樣以保證通風豎井和電纜豎井的布置空間。同樣反應堆廠房外殼和燃料廠房連成一體,中間不再設縫。

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

燃料廠房遠離反應堆廠房的外側墻體厚度設計為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。吊車的吊鉤服務中心線要保證距墻3.26 m的距離,容器裝載井和準備井的操作點要滿足此要求,以保證吊車設備的操作需求。容器裝載井的寬度為4.12 m,容器準備井的寬度是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側的距離設計為3.26 m。乏池和燃料轉運倉之間墻體的厚度不變,根據輻射防護的要求,如果乏池墻壁外滿足綠區要求,普通混凝土墻壁厚度至少1.95 m。因此,乏池左側、上側和下側的墻體厚度都設計為1.95 m。根據上述設計準則,最終確定了燃料廠房內部各房間的相對位置關系。現燃料廠房的長度為62.64 m,與原方案相同,距反應堆中心的寬度為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 布置方案對比研究

方案一利用雙層空心墻對乏池和燃料轉運倉進行局部防護,燃料廠房左側和右側的外墻較原方案內墻向外延伸了一定距離,增大了相應房間的面積,保證了房間內各物項的使用需求,僅需對原房間內的工藝管道、通風管道及電纜通道等 進行局部調整。

圖6 燃料廠房改進方案二+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,施工的技術難度有所降低。將反應堆廠房外殼和燃料廠房連成一體,有利于提高飛機撞擊下核島廠房的整體性,并降低了施工難度。

方案二對燃料廠房進行了重新布置,乏池布置在靠近反應堆廠房的內側,乏池外側分別布置了容器準備井、容器裝載井和管道間,以形成對乏池的防護作用。但此設計改變了乏池左側區域的尺寸,左側各房間需要進行調整,相關物項和設備需重新布置,相應的工藝管道、通風管道以及電纜托盤也都需要重新布置,工作量較大。

為更清晰的對比各方案的優缺點,下面通過表1對各布置方案進行總結。

表1 燃料廠房布置方案優缺點對比Table 1 The comparison of layout schemes of the fuel building

續表

4 經濟性分析

取消APC對核島工程費的影響主要有兩個方面,一是結構主體變化本身的費用變化;二是由于建筑結構設計、布置、通風設計、電儀設計和設備的變化引起的費用變化。根據設計方案估算:

單機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,累計燃料廠房費用減少約3200萬元。

個別房間局部布局、通風豎井等有所修改,該部分修改對費用影響相對較小,本經濟分析中暫不考慮。對于建筑結構設計、布置、通風設計、電儀設計和設備的變化,目前認為布置和設計優化后應變化不大,此部分費用暫未考慮。

5 結 論

本研究依托于漳州 “華龍一號”核電廠的改進項目,為確保核電廠可以抵御大飛機撞擊同時具有較高的市場競爭力,對燃料廠房進行設計優化,提出了兩種布置方案。

研究發現,取消APC殼可以大大提高核電廠的經濟性。采用雙層空心墻對乏池和燃料轉運倉進行局部防護的方式可抵御大飛機的撞擊,而且該方案對燃料廠房內各房間的改動較小,對其他專業的影響也較小,改進項的完成周期較短,滿足漳州核電廠現階段的工程進度。而方案二更能通過布置的方式抵御大飛機撞擊,并且布局更為合理,但改動較大,對各專業的影響較大,改進項的完成周期較長,不能滿足漳州核電廠現階段的工程進度。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ACP600項目中燃料廠房的儲備方案。