安全殼過濾排放系統容量確定

李麗娟，周 喆，丁 亮

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

對于新建核電廠，是否設置安全殼過濾排放系統，一直受到安全監管部門關注，也是業主、設計單位等各方反復研討的問題。

國內外的法規標準并沒有強制要求設置安全殼過濾排放系統。

在傳統二代改進型壓水堆核電廠，當發生嚴重事故，通過安全殼過濾排放系統主動卸壓使安全殼內壓力不超過其承載限值，確保了安全殼的完整性。華龍一號采用雙層安全殼、設置有專設安全設施和完善的嚴重事故預防與緩解措施、具有充分的安全殼自由容積，那么華龍項目是否需要設置安全殼過濾排放系統以及如何確定系統容量，需要進行研究和分析。

1 安全殼過濾排放系統的功能

核電廠安全殼是防止放射性產物釋放到環境中的最后一道屏障。在發生嚴重事故時，安全殼內的壓力不斷升高，最終可能會破壞安全殼的完整性，造成放射性物質的外泄。

安全殼過濾排放系統通過主動卸壓使安全殼內的大氣壓力不超過其承載限值，從而確保安全殼的完整性。并且，通過本系統中的過濾裝置對排放氣體中的放射性物質進行過濾，以減少釋放到環境中的放射性物質。

2 國內各典型電站或堆型安全殼過濾排放系統的方案

國內典型方案如表1所示。

表1 國內各典型電廠或堆型安全殼過濾排放系統方案Table 1 Containment filtration and exhaust system options of domestic typical NPP or reactor

3 相關設計標準要求

安全殼系統設計相關法規標準主要有：

（1）HAF 102《核動力廠設計安全規定》（2004版）；

（2）HAD102/06《核電廠反應堆安全殼系統的設計》（1990版）；

（3）美國聯邦法規10CFR 50附錄A；

（4）美國NRC的標準審查大綱（SRP）；

（5）NS-G-1.10《核動力廠反應堆安全殼系統的設計》；

（6）RCC-P《900 MW壓水堆核電站系統設計和建造規則》（1991第4版 + 1995修訂）。

IAEA安全導則NS-G-1.10《核動力廠反應堆安全殼系統的設計》要求：對新電廠，排放系統不是必需的。如果分析表明現有電廠安全殼超壓風險太大，應考慮安裝過濾排放系統以防止安全殼不可恢復的損壞及放射性物質不可控制的排放[1]。

HAD102規定：對于已有的核動力廠，如果概率安全分析表明安全殼超壓風險太高，應考慮安裝安全殼過濾排氣系統，以防止對安全殼的永久性損傷和放射性物質失控釋放。對于新建核動力廠，能量控制系統應作為抑制事故期間壓力載荷的主要手段，以滿足結構完整性Ⅱ級驗收準則。對于新建核動力廠，排氣系統不應該是必要的[2]。

相關標準沒有對嚴重事故時的降壓準則提出明確的、具體的要求，規定了設計基準事故安全殼壓力要求和驗收準則，例如：總體性要求、關于峰值壓力的要求、關于降壓速率的要求、長期降壓的要求等。在NUREG 0800—2007中6.2.1.1 A章的驗收準則中對安全殼降壓速率要求為：為滿足設計總則 38中要迅速降低安全殼壓力的要求，安全殼壓力應當在假想事故后24 h內降低到低于設計基準失水事故計算的最高壓力的50%。

4 方案研究

4.1 是否設置安全殼過濾排放系統

安全殼是防止裂變產物泄漏的第三道屏障，也是最后一道屏障。在核電廠發生超設計基準事故或嚴重事故過程中，會因各種原因產生高能氣體，釋放到安全殼空間，在安全殼冷卻系統失效的情況下，會導致安全殼內大氣升溫升壓，這會危及安全殼的完整性。設置安全殼過濾排放系統（CFE）是為了消除或緩解這種威脅。

EPR/VVER/AP1000分別通過設置熔融物滯留池、堆芯捕集器、壓力容器包容熔融物的手段，以及增加安全殼自由容積等方法，使得安全殼不需過濾排放即可包容事故后質能釋放引起的壓力升高。

“華龍一號”設置有安注系統、安噴系統等專設安全設施和完善的嚴重事故預防與緩解措施，例如安全殼消氫系統、堆腔注水冷卻系統、非能動安全殼熱量導出系統、穩壓器快速卸壓系統、增大安全殼自由容積、對安全殼進行完整的極限承載能力分析等措施。

在LOCA工況下，安注系統為堆芯提供應急冷卻以防止燃料包殼融化并保證堆芯的幾何形狀和完整性。堆腔注水冷卻系統在嚴重事故工況下，導出堆芯熔融物的熱量，通過冷卻壓力容器下封頭帶走堆芯熱量，確保壓力容器不被熔穿。穩壓器快速卸壓系統用來降低高壓堆融的風險。

在LOCA或安全殼內主蒸汽管道破裂時，安噴運行可將安全殼內溫度和壓力保持在可接受的范圍內。非能動安全殼熱量導出系統用于超設計基準事故工況下安全殼的長期排熱，將安全殼壓力和溫度降低至可接受的水平。

安全殼消氫系統通過自動復合減少安全殼內的氫氣、氧氣和一氧化碳氣體。

所以，對于“華龍一號”安全殼的早期失效，可以通過安噴、安注等措施來避免；長期失效可通過堆腔注水冷卻系統、非能動安全殼熱量導出系統等來避免。

考慮“華龍一號”的多重和完善的系統設置，以及更優化的安全殼結構設計，研究“華龍一號”是否需要設置安全殼過濾排放系統（CFE）。

首先進行了事故分析計算。計算時適當考慮利用非能動安全殼熱量導出系統（PCS）緩解安全殼超壓事故。PCS由3個相互獨立的非能動系列組成。從圖1中可以看到PCS 2列有效時，壓力大約能維持在0.4 MPa；而PCS只有1列有效時，壓力會緩慢升高至0.6 MPa左右。

圖1 1列PCS有效和2列PCS有效時安全殼壓力變化Fig.1 Containment pressure variation with 1 PCS valid and 2 PCS valid

從圖1中可以看到，PCS喪失1列時，安全殼內壓力不會超過安全殼設計壓力，但是PCS 3列全部失效或2列失效時，安全殼內壓力將會超過安全殼設計壓力。

是否需要設置安全殼過濾排放系統，還需要進行安全殼超壓失效概率分析。根據“華龍一號”內部事件二級PSA分析，導致大量放射性釋放的頻率（LRF）為 1.91 × 10-8/堆·年，過濾排放失效情況下安全殼晚期超壓釋放的風險為1.98 × 10-11/堆·年（占大量釋放的總風險的 0.1%），安全殼過濾排放有效但壓力容器失效所造成的大量釋放的風險為 4.91 × 10-10/堆·年（占大量釋放的總風險的2.57%）。對于“華龍一號”核電廠，如果取消安全殼過濾排放系統后，總的安全殼晚期超壓大量放射性釋放風險為7.63 × 10-9/堆·年，相比有該系統時增加了 7.12 × 10-9/堆·年。

根據以上分析，確定設置安全殼過濾排放系統。

4.2 安全殼過濾排放系統方案

常用的安全殼過濾方式有干式和濕式兩種（見表2）。

表2 安全殼過濾方式Table 2 Containment filtration approach

濕式過濾在 M310機組已廣泛應用，并較干式過濾的效果有明顯提高。

國內M310機組主要使用的是AREVA的產品，包括文丘里水洗器和金屬纖維過濾器。文丘里水洗器是臥式圓筒形壓力容器，容器內裝有一組文丘里噴管，并且容器內裝有重量濃度為 0.5%的 NaOH和 0.2%的 Na2S2O3的化學溶液。試驗證明，文丘里水洗器對氣溶膠的過濾效率大于 99%，對碘分子的過濾效率大于99.5%，對有機碘的過濾效率為80%。金屬纖維過濾器也是臥式圓筒形壓力容器。容器內的金屬纖維過濾器由具有液滴分離作用的預過濾層和精細過濾層兩部分組成。它們主要用于過濾文丘里水洗器未能滯留的微小粒徑氣溶膠，以及一些由于化學溶液表面氣泡破裂而產生的極小粒徑的氣溶膠；特別是對于粒徑小于 1微米的氣溶膠，金屬纖維過濾器具有很高的滯留效率。文丘里水洗器和金屬纖維過濾器構成了對排放氣體的兩級過濾。通過這兩級過濾，最終的過濾效果可以達到如下數值：

（1）對氣溶膠的過濾效率大于99.9%；

（2）對碘分子的過濾效率大于99.5%；

（3）對有機碘的過濾效率為80%。

通過干式和濕式過濾方案的比選，結合方案的成熟度，安全殼過濾排放系統選擇采用濕式過濾排放方案。

5 安全殼過濾排放系統容量確定

5.1 安全殼過濾排放系統容量分析

系統容量是確定工藝系統的首要參數，用于確定系統規格、設備選型等。為了確定合理的系統容量，進行了全面、詳細的分析計算。

（1） PCS不可用

1）保證嚴重事故下 CFE系統能夠在開啟后24 h內將安全殼內的壓力降到0.26 MPa以下（見表3、表4）。

表3 充水工況，CFE打開時安全殼大氣條件Table 3 Water filling condition, atmospheric condition of containment when CFE is opened

表4 非充水工況，CFE打開時安全殼大氣條件Table 4 Non-water filling condition, atmospheric condition of containment when CFE is opened

在此計算假設下，充水工況比較保守，系統排量為9.7 kg/s（0.52 MPa）。

2） 不需保證嚴重事故下CFE系統能夠在開啟后24 h內將安全殼內的壓力降到設計壓力一半以下，只考慮事故后24 h開啟，排放12 h關閉至再次開啟，排量為4 kg/s（0.52 MPa）。

從圖2可知，從第1次開啟（24 h）至第1次關閉（36 h）大約排放了 12 h，再打開時間為49.4 h，間隔13.6 h。

圖2 PCS失效時CFE運行12 h的壓力變化Fig.2 Containment pressure variation during CFE 12 h operation with PCS invalid

由此結果可以看到，用4 kg/s（0.52 MPa）的排量排放，在排放12 h左右，此時可能出現水洗容器的低液位報警，需要將CFE系統關閉充水，此時壓力雖然未降至安全殼設計壓力的一半，但已降至設計壓力 90%以下。并且需要再次開啟的時間間隔約14 h左右，足以完成補水操作。

3）事故后24 h開啟（0.583 MPa），安全殼內壓力降至設計壓力一半（0.31 MPa）關閉（見表 5）。

表5 PCS不可用時不同設計流量下的CFE運行情況（關閉壓力0.31 MPa）Table 5 CFE operation under different design flows when PCS is not available (shutdown pressure 0.31 MPa)

可以看到，只有第 1行的排量能夠使安全殼壓力在24 h之內降至設計壓力一半。

（2） 1列PCS可用

1）事故后24 h開啟（0.583 MPa），安全殼內壓力降至設計壓力一半（0.31 MPa）關閉（見表 6）。

表6 1列PCS可用不同設計流量下CFE運行情況Table 6 CFE operation under different design flows with 1 column of PCS available

可以看到，只有最后1行的排量能夠使安全殼壓力在24 h之內降至設計壓力一半（0.31 MPa）。

2）不需保證嚴重事故下 CFE系統能夠在開啟后24 h內將安全殼內的壓力降到設計壓力一半以下，只考慮事故后24 h開啟，排放12 h關閉至再次開啟。用4 kg/s（0.52 MPa）的排量排放。

從圖3可知，從第1次開啟（24 h）至第1次關閉（36.7 h）大約排放了12 h，再打開時間為 77.2 h（考慮 72 h時失去 PCS冷卻），間隔約30 h。在排放12 h左右，此時可能出現水洗容器的低液位報警，需要將CFE系統關閉充水，此時壓力 0.39 MPa，雖然未降至安全殼設計壓力的一半（0.31 MPa），但已降至設計壓力90%以下。并且需要再次開啟的時間間隔 30 h，足以完成補水操作。

圖3 1列PCS可用時CFE運行12 h的壓力變化Fig.3 Containment pressure variation during CFE 12 h operation with 1 PCS valid

經計算，9.7 kg/s（0.52 MPa）的排量排放時最大衰變熱功率是 135.44 kW；4 kg/s（0.52 MPa）的排量排放時最大衰變熱功率是98 kW。

5.2 安全殼過濾排放系統容量分析

從 5.1節的計算結果看到，如果遵循設計基準事故降壓速率的要求，PCS一列可用時排量至少為 5.27 kg/s，PCS完全不可用時排量至少需要7.2 kg/s。

不管是 PCS一列可用還是 PCS完全不可用，用4 kg/s（0.52 MPa）的排量排放，在排放12 h左右時，可能出現水洗容器的低液位報警，需要將CFE系統關閉充水，此時壓力雖然未降至安全殼設計壓力的一半（0.31 MPa），但已降至設計壓力 90%以下。并且需要再次開啟的時間間隔足以完成補水操作。

嚴重事故后降壓速率，在相關法規標準中沒有明確的要求，所以，綜合壓力控制能力，確定安全殼過濾排放系統的排量為 4 kg/s（0.52 MPa）。對應的最大衰變熱功率按100 kW設計。

6 結論

本文通過對安全殼過濾排放系統功能、方案、法規標準要求的研究，進行了安全殼超壓風險的確定論和概率論分析，確定了設置安全殼過濾排放系統的必要性。

系統容量是工藝系統設計的首要參數。本文進行了全面、詳細的分析計算，包括PCS完全不可用以及1列PCS可用、不同氣體排量等多種假設和工況，綜合考慮安全殼壓力控制能力，確定了安全殼過濾排放系統的排量為4 kg/s（0.52 MPa），對應的最大衰變熱功率為100 kW。

本文的研究為安全殼過濾排放系統設計、采購、自主研發等提供了基礎和輸入條件。