核電廠設計擴展工況供電要求分析

堵樹宏，楊慶明

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

核電廠的運行發電和安全響應，依賴于核電廠電源系統向廠用電設備和安全系統設備供電而實現。隨著核電安全標準的提高和反應堆核電技術的發展，反應堆技術、安全系統技術、輔助系統技術和設備選型等設計和改進，對核電廠電源系統的配套設計及其技術經濟性提出了挑戰。例如，壓水堆核電廠四系列或三系列安全系統的設計，需要配置相應數量的應急柴油發電機組；隨著壓水堆核電機組發電功率提高，廠用設備用電功率增加，需要增加應急柴油機組容量；安全系統或安全相關系統的設備對于直流電源的供電要求，需要提高直流電源系統的設計；設計擴展工況應對措施的增強，對直流系統、專用交流電源等相關電源系統設計提出了新的難題；而福島核事故的反饋，對核電廠進一步提出了應對極端事件的供電等技術要求。

電源系統作為核電廠的重要組成部分，其設計與核電廠的安全密切相關，既要滿足設計基準工況下反應堆保護系統、安全系統設備對電源供應的保障，又要滿足設計擴展工況應對設施對電源供應的特殊要求，同時還要使得電源系統本身具有高可靠性和強壯性，減少自身缺陷或故障對核安全造成影響。本文分析了核電廠電源系統的方案配置和設計擴展工況的要求，研究并提出了設計擴展工況電源的技術原則和安全對策。

1 核電廠電源系統設計及其事故響應

1.1 核電廠電源系統設計

通常，核電廠電源系統設計包括有以下電源。

(1)廠外電源

廠外主電源，主要向包括單元廠用設備、常備廠用設備和應急廠用設備在內的全廠設備供電。

廠外輔助電源，在廠外主電源斷電時，向常備廠用設備和應急廠用設備供電。有些核電廠的輔助電源還設計成向單元廠用設備供電，以避免失去廠外主電源時導致緊急停堆。

(2)廠內電源

應急柴油發電機組，在廠外電源喪失時，向應急廠用設備供電。根據安全系統技術特征及冗余理念的不同，柴油發電機組設計成安全級或非安全級，與冗余系列相對應，數量有2臺、3臺或者4臺。VVER系列機組甚至還為非安全級的保障性設備獨立設計了可靠柴油發電機組。

直流和交流不間斷系統的蓄電池，從其儲能獨立性來說，也是一種廠內電源。蓄電池按直流和交流不間斷系統冗余度配置系列數量，在喪失交流電時，蓄電池放電以向其用戶提供電源。

SBO電源，采用柴油發電機組或者汽輪發電機組，作為全廠斷電(SBO)時的后備電源，向全廠斷電所需的特定設備供電。根據設計定位及其容量的不同，其供電負荷可能包括以下設備的組合：一回路或重要系統的補水設備、余熱排出相關設備、必要蓄電池的充電器、事故后監測系統、特定通風設備，甚至嚴重事故緩解措施設備等。SBO電源有時還設計有SBO專用直流系統，如設計成與非能動系統相匹配。

廠區附加電源，即廠區附加柴油發電機組。有些核電廠設計用于增強全廠斷電的電源恢復能力。有些核電廠中，廠區附加電源設計作為替代交流電源(AAC)，用于全廠斷電情況下向安全停堆所需設備供電。該電源往往還用于在正常運行期間應急柴油發電機組不可用時作為應急柴油發電機組的替代，以延長其恢復時間。

(3)應急場所柴油發電機組，為應急指揮中心的重要用戶提供備用電源。

(4)其他安保相關電源，例如為實物保護等系統提供備用電源的柴油發電機組。

(5)臨時電源，該電源不在電廠所屬固定設備范圍內，在極端情況下喪失全部交流電源時(包括廠區附加柴油發電機組)，該移動式電源為實施應對和恢復措施提供臨時動力，以緩解事故后果，并為恢復廠內外交流電源提供時間。

1.2 電源系統事故響應

從上述電源的組成和關系可以看出，核電廠電源系統設計貫徹了縱深防御、多重性、獨立性等安全原則。因此，某一電源系統故障的后果往往是局限的，引起的機組瞬態多屬于二類工況。某一電源系統發生故障或事故導致核蒸汽供應系統瞬態，觸發機組自動動作如汽機停機、緊急停堆等，但電源系統冗余和層級的設計，保證機組輔助系統或反應堆安全系統能夠執行其功能，因而不引起反應堆燃料包殼、一回路壓力邊界、安全殼等任何屏障的破壞。因此，從設計基準來說，某一電源系統甚至多個電源發生故障或事故(如廠外電源全部失去)后，依靠其他電源系統，采取必要的糾正措施，核電廠就可以恢復運行或帶入安全停堆狀態。

對于諸如蒸汽發生器傳熱管破裂、LOCA等Ⅲ、Ⅳ類設計基準事故，其安全分析是基于安全系統設計和電源系統設計來開展的，同時保守假設了安全系統和電源系統單一故障，其安全分析結果也是滿足要求的，而無需要求額外的供電。事故處理規程響應也是如此，因為這種設計所達到的供電安全性和可靠性是核電廠電源系統設計基準要求。

2 設計擴展工況及其應對措施

2.1 設計擴展工況概念

設計擴展工況(Design Extension Conditions)概念最先于1992年出現于歐洲用戶要求(EUR)[1]，并逐漸發展為增強設計基準事故之外安全的重要概念。國際原子能機構(IAEA)于2012年制定的安全標準“Safety of Nuclear Power Plants:Design”(2016年修訂為SSR-2/1)中確定了設計擴展工況概念及要求。2016年，我國基于SSR-2/1修訂的HAF 102《核動力廠設計安全規定》明確規定了設計擴展工況的要求。

將設計擴展工況作為核安全要求的規定內容，這對核電廠設計提出了新的要求。HAF 102—2016中關于設計擴展工況的安全要求主要包括：對核電廠確定一組設計擴展工況，以增強核電廠應對設計基準工況之外的事故的能力；對設計擴展工況進行分析并明確了驗收準則；針對這些設計擴展工況設計相應的符合要求的安全設施；實際消除早期放射性釋放或大量放射性釋放的要求等。

實際上，由于設計擴展工況的復雜性和不確定性，目前設計擴展工況的選取和分析在國內外尚未有具體的標準規范。

2.2 以往超設計基準事故概念及其特殊措施

在應用設計擴展工況以前，二代改進型壓水堆等核電廠關于設計基準事故之外的應對措施，是以考慮核電廠在特定的超設計基準事故(包括選定的嚴重事故)中的行為來設計的。

例如，特定的未堆熔超設計基準事故有：未能緊急停堆的預期瞬態、最終熱阱完全喪失、給水全部喪失、全廠斷電、低壓安注泵或安噴泵失效、主蒸汽管道斷裂同時SGTR等。相應的特殊措施主要有：多樣化驅動系統、使用換料水箱反冷設備冷卻水、充排冷卻、汽動輔助給水泵提供給水及水壓試驗泵補水、LHSI泵與安噴泵互為備用等。

例如，選定的嚴重事故序列有：功率工況大、中、小LOCA且安注系統、安噴系統失效，功率工況喪失熱阱且主泵軸封破口，功率工況給水全部喪失且充排冷卻失效，功率工況全廠斷電且主泵軸封破口、輔助給水汽動泵失效，功率工況喪失給水且緊急停堆失效，功率工況主蒸汽管道大破口且充排冷卻失效，功率工況蒸汽發生器兩根傳熱管破裂且高壓安注失效，一回路微開狀態余排管道小破口等。針對以上嚴重事故序列的典型嚴重事故現象，相應的緩解措施主要設計有：穩壓器安全閥功能延伸防止高壓熔堆，非能動氫氣復合器防止氫氣燃燒、爆炸，安全殼過濾排放系統防止安全殼晚期超壓失效等。

2.3 設計擴展工況與應對措施

根據大量的運行經驗和研究結果以及相關實踐，從確定論和概率安全分析(PSA)角度，IAEA 在SSR—2/1安全標準的相關TECDOC技術文件“Considerations on the Application of the IAEA Safety Requirements for the Design of Nuclear Power Plants”(IAEA—TECDOC—1791)給出了未堆熔的設計擴展工況(DEC—A)示例清單[2]：ATWS，SBO，余熱排出模式下失去堆芯冷卻，擴展的乏燃料水池冷卻和裝量喪失，最終熱阱正常通道喪失，給水全部喪失，LOCA疊加應急堆芯冷卻高壓或低壓子系統失效，設備冷卻水或者安全廠用水喪失，不可控硼稀釋，多根SGTR，主蒸汽管道斷裂誘發SGTR，半管運行工況或換料工況水位失控下降。這個DEC—A清單提供了基本的參考，各新建核電廠可以根據HAF 102—2016以及監管要求，基于核電廠具體設計、概率安全分析對其進行修改，來確定所適用的未堆熔設計擴展工況清單。例如，對于SBO，通常發展為功率工況SBO、停堆工況SBO兩個設計擴展工況。為應對DEC—A工況，“華龍一號”主要設置了多樣化驅動系統、應急硼注入系統、汽動輔助給水泵提供給水及水壓試驗泵補水、重力補水、池水蒸發、使用換料水箱反冷設備冷卻水、備用風冷機組、二次側非能動余熱排出系統、充排冷卻、LHSI泵與安噴泵互為備用、非能動安全殼熱量導出系統等DEC—A應對措施。

堆熔的設計擴展工況(DEC—B，即嚴重事故)的事故序列，一般應用一級概率安全分析的結果，并結合嚴重事故現象分析和工程判斷來確定。例如，“華龍一號”的DEC—B清單主要包括LOCA、給水喪失、MSLB、SBO等基礎類事故疊加安全系統和/或DEC措施失效等，例如大LOCA疊加能動安注系統失效、SBO疊加二次側冷卻全部失效[3]。其嚴重事故緩解措施如表1所示。

表1 “華龍一號”DEC—B應對措施Table 1 DEC—B mitigation measures of HPR1000

3 設計擴展工況供電的工況要求和原則

3.1 與電源有關的設計擴展工況

在以往的二代改進型壓水堆核電廠中，與電源直接相關的超設計基準事故是喪失廠外電疊加未能緊急停堆的預期瞬態(ATWS)、SBO工況，以及SBO疊加多重故障。其中未堆熔的超設計基準事故SBO工況的分析，是以余排未接入的運行工況SBO為主，兼顧考慮余排接入后的停堆工況SBO。

在HAF 102—2016設計擴展工況概念下，核電廠所考慮的與電源直接相關的設計擴展工況有：喪失廠外電疊加未能緊急停堆的預期瞬態(ATWS)、功率工況SBO、停堆工況SBO、乏燃料水池SBO等DEC—A工況，以及SBO疊加二次側冷卻全部失效DEC—B工況。

其中，喪失廠外電疊加ATWS的挑戰風險是停堆、DNBR，此工況下應急交流電源、直流電源可用，該設計擴展工況的供電要求較簡單，其應對措施可以設計成由不同的配電母線供電，即ATWS緩解系統供電區別于反應堆保護系統的交流不間斷電源系統供電即可，而無需專門配置設計擴展工況電源。

而功率工況SBO、停堆工況SBO、乏燃料水池SBO、SBO疊加二次側冷卻全部失效顯然需要配置專門的設計擴展工況電源并進行分析。因此，可以確定核電廠設計擴展工況下供電設計的基本工況是：功率工況SBO、停堆工況SBO、乏燃料水池SBO，SBO疊加二次側冷卻全部失效。其中，前三者是DEC—A，根據HAF 102—2016要求，其應對目標是防止這些事故后果超過設計基準事故，采用設計基準事故的解耦準則。最后者作為嚴重事故，根據HAF 102—2016要求，其應對目標是緩解該SBO多重故障潛在的高壓熔堆、底板熔穿、氫氣燃燒和爆炸等后果，防止安全殼超壓失效，實際消除放射性釋放。

各核電廠特定設計的不同，與電源相關的設計擴展工況特征可能會不同。此外，根據工程判斷和概率論評價，除了上述SBO相關的基本工況，可能會存在其他的需考慮供電問題的事故序列，例如那些發生概率較高的始發事件和故障的組合可能會形成某一多重故障，或者由極端外部事件導致，而這個事故序列的后果可能沒有被SBO工況應對措施所包絡，例如SBO同時最終熱阱正常通道喪失，這需要具體設計時進行分析、篩選。

3.2 SBO DEC—A工況的應對及供電

根據SBO DEC—A分析，功率工況SBO、停堆工況SBO、乏燃料水池SBO這三個DEC—A工況的應對目標需滿足以下主要驗收準則：(1)堆芯活性區不發生裸露；(2)滿足Ⅳ類工況的解耦準則；(3)沒有不可接受的放射性釋放后果[4]或者安全殼保持適當完整[5]；(4)乏燃料水池維持屏蔽水層厚度。

對于這些SBO DEC—A工況，根據工況分析、事故現象及其處理分析，應采取以下措施，以保證維持反應堆冷卻劑系統的完整性，并防止堆芯和乏燃料出現嚴重損傷。

1)向反應堆冷卻劑系統提供補水的手段，補水流量需考慮：冷卻劑收縮，可能的主泵軸封泄漏(或軸封損壞導致失去的水量(若需要))，以及全廠斷電時不能隔離的其他常開管道或開口引起的冷卻劑流失；

2)提供堆芯冷卻的手段，宜采用多樣化的措施，例如非能動方式、由汽動或氣動提供動力源的方式；

3)保持安全殼適當完整性；

4)提供乏燃料水池冷卻、補水；

5)提供事故處理所需的儀表和控制；

6)提供全廠斷電期間主控室和操作進入的有關區域的可居留性；

7)證明上述所需設備在全廠斷電的環境條件(如環境溫度高)下仍可運行，或提供其工作的環境條件。

因此，DEC—A工況下的供電應基于這些SBO工況以及這些工況所需要的措施要求進行分析和設計。這些措施所依賴的系統和設備可能是專門措施，也可能是原設計基準工況措施的延伸應用。對于專門措施，涉及設計擴展工況電源設計；對于延伸應用的措施，應對廠用電系統進行特殊配電設計。設計擴展工況下的電源或者電源組合的選擇，包括類型、容量，需滿足這些工況下所需系統和設備的運行的要求。同時，作為DEC—A措施，根據HAF 102—2016、IAEA—TECDOC—1791，DEC—A電源應滿足不同縱深防御層次的獨立有效性的要求。

需要說明的是，核電廠的安全目標設計可能會需要引起或補充應對SBO的措施，以滿足更高的CDF概率目標值。此時，應注意考慮安全措施以及供電措施的平衡。

3.3 SBO疊加其他失效的DEC—B工況的應對及供電

根據SBO疊加二次側冷卻全部失效引起的嚴重事故序列分析，其潛在嚴重事故風險有高壓熔堆、壓力容器外底板熔穿、氫氣燃燒和爆炸、安全殼緩慢超壓失效等后果。可以看到，SBO DEC—B幾乎涉及了所有的典型嚴重事故現象，因此，通常的嚴重事故緩解措施對于SBO DEC—B應對來說可能都是需要考慮的，例如一回路快速卸壓，堆腔注水系統或堆芯捕集器，非能動氫氣復合器，非能動安全殼熱量導出系統，安全殼過濾排放系統等。

這些措施作為嚴重事故緩解措施，與DEC—A應對措施屬于縱深防御第3b層次不同，是屬于縱深防御第4層次。根據HAF 102—2016，縱深防御的各層次之間必須盡實際可能地相互獨立。IAEA—TECDOC—1791還明確，“用于設計擴展工況的安全設施需獨立于事故序列中假定失敗的那些系統、結構和部件”“用于緩解和監測堆芯熔化事故的儀控系統需要獨立于任何其他儀控系統，這要求設計相應的獨立的直流電源”。因此，DEC—B緩解措施的供電應盡實際可能與設計基準工況和DEC—A工況措施的供電相互獨立。考慮到嚴重事故儀控系統通常需要直流電源或交流不間斷電源系統，DEC—B緩解措施盡可能采用非能動或者由直流電源或交流不間斷電源驅動設備是比較合適的。

最后，需要說明的是，由于嚴重事故緩解措施設計具有包絡性，涉及多個復雜事故序列，而不同事故序列對于緩解措施的功能和性能要求有所不同。因此SBO嚴重事故應對設計時，應考慮相關措施的使用時機、使用概率，以降低對設計擴展工況電源容量的挑戰。

4 設計擴展工況供電設計要求

與電源相關的設計擴展工況的分析，尤其是設計擴展工況下供電設計的基本工況的確定，為設計擴展工況供電設計確定了基本工況要求。SBO DEC—A應對措施和DEC—B應對措施的分析則為設計擴展工況供電設計提出了基本負荷要求。全面的設計擴展工況供電設計還涉及與全廠電源系統的關系、設計擴展工況電源設計因素等方面。

4.1 廠用電系統有關的設計考慮

廠用電系統中的交流電源系統、直流電源系統、交流不間斷電源系統所供電的系統設備也用于應對設計擴展工況，因此這些電源系統設計應綜合考慮設計擴展工況的工況特征以及其相關應對措施的供電要求：

電源切換要求，電源加載及其運行延續性要求；

設計擴展工況下電源容量的要求；

設計擴展工況關于電源的隔離準則。

廠用電系統的設計中對設計擴展工況的考慮，諸如特殊電源負荷分段供電、設置電源切換接口、蓄電池適當增加容量或者設計成具有擴展使用能力等，可以增強設計擴展工況電源總體可靠性。

根據NB/T 20066—2012《核電廠應對全廠斷電設計準則》，核電廠還應進行全廠斷電應對能力分析，明確可接受的全廠斷電時間。全廠斷電應對能力分析涉及以下廠用電系統設計分析：廠外電源的穩定性、廠內電源的可靠性、恢復電源所需時間等分析。

4.2 設計擴展工況電源的設計因素

DEC—A和DEC—B設計擴展工況電源設計，需滿足HAF 102—2016、HAD102—13《核動力廠應急動力系統的設計》、NB/T 20066—2012《核電廠應對全廠斷電設計準則》要求，并參考執行IAEA—TECDOC—1791。綜合DEC—A和DEC—B工況應對措施及其供電特點，應對設計擴展工況可能采取以下電源形式：

可擴展延長使用或另外帶充電系統的蓄電池；

具有設計接口進而可以相互備用的電源；

替代電源或替代交流電源類型的專用電源，例如低壓或中壓的柴油發電機組或其他類型發電機組，或者其組合；

嚴重事故用的蓄電池。

為了滿足設計擴展工況的應對要求，以上電源的設計應滿足以下準則：

不同縱深防御層次的電源之間應盡實際可能相互獨立；

按照相關的設計擴展工況應對措施負荷的組合進行電源容量設計，包括擴展應用；

電源供電持續時間應大于核電廠可接受的最小全廠斷電時間，并且應設計有接口，以能夠延續運行；

電源應設計成在相應工況下能夠及時向所需負荷供電，滿足其用戶負荷加載時間要求；

電源應設計成能夠合理防護內外部事件，包括極端事件。

5 關于DEC供電的思考

(1)極端外部事件的考慮

福島核事故表明，極端外部事件可能導致核電廠電源系統的癱瘓，進而導致嚴重事故發生、大量放射性釋放。因此，核電廠應評估應對極端外部事件的能力，并建立極端外部事件應對能力，以預防嚴重事故發生。例如，在核電廠電源系統中設計一定的接口,以便于與外部臨時的移動式應急電源連接,為核電廠實施應急措施提供臨時動力,以緩解事故后果,并為恢復廠內外交流電源提供時間窗口。例如，美國核能研究所發布了《多樣靈活應對措施執行導則》(NEI 12-06)第4版，提出了從擴展全廠斷電(ELAP)同時最終熱阱正常通道喪失(LUHS)極端事件出發來建立基線應對能力[6]。

(2)電源的可恢復性問題

前文分析到，DEC供電設計的基本工況是SBO類事故。SBO事故是關系核電廠所有設備電源供應的電源事故，與其他事件、事故相比，不僅需要考慮事故應對和/或電廠恢復，還需要考慮電源及時恢復并采取措施，這也是電源類事故的通常做法。在此類事故處理規程中，首先操作是嘗試恢復電源，包括廠外、廠內電源。在NUMARC 87—00中提出對于大多數SBO事件，假設其電源恢復時間是4小時。NB/T 20066—2012《核電廠應對全廠斷電設計準則》也是基于包括電源可恢復性在內的核電廠電源設計特征來確定其可接受全廠斷電時間。因此，在進行設計擴展工況電源層級及容量設計時，宜合理考慮相關電源的可恢復性。

6 結論

設計擴展工況供電設計是三代核電等新建核電廠電源設計的重點內容。本文提出核電廠設計擴展工況的分析是設計擴展工況供電設計的基礎，SBO類DEC—A和DEC—B是設計擴展工況電源設計的依據工況。設計擴展工況電源設計還應滿足HAF 102—2016中關于不同縱深防御層次的獨立有效性的要求、NB/T 20066—2012標準中關于全廠斷電時間的要求等。本文還提出設計擴展工況電源設計應考慮極端外部事件和相關電源的可恢復性。這些研究結論可供核電廠電源設計參考，一方面有助于理解并滿足法規標準要求，保證核電廠的安全目標；另一方面有助于合理確定電源組成和規模，提高核電廠的經濟性。