非能动安全系统在AP1000核电站应用概述

耿一娲哈尔滨工程大学核科学与技术学院

非能动安全系统在AP1000核电站应用概述

耿一娲
哈尔滨工程大学核科学与技术学院

本文以西屋公司研发的AP1000为例，对非能动安全系统做简要的描述。作为第三代堆安全系统的重要部分，非能动安全技术在核电站的具体设计中有着广泛的应用。本文先阐明非能动的概念及其分类，然后以非能动余热排出系统和非能动安全壳冷却系统为例，阐述非能动的设计理念在AP1000中的应用，最后简单说明了广义非能动的概念。

非能动安全系统；AP1000；广义非能动

1 非能动安全系统的概念

（1）系统除了不需要外部动力外，既无移动工质，又无移动的机械部件。这是利用了系统的固有属性，例如冷源和热源之间热连续通道的热传导和热辐射。（2）系统动作由内部参数变化引起，在实现其功能过程中有工质的流动但无运动的机械部件。例如在热源和热阱之间沿某一特定通道的自然循环，采用液阀或密度锁。（3）系统功能基于不可逆动作或变化的某些设备，如安全隔离膜、止回阀、弹簧式安全阀和喷注箱等。他们具有运动部件，但因不需要外部动力，仍属于非能动设备范畴。[1]当有突发性事件发生时，如自然灾害或操作人员运行失误，非能动安全余热排出系统能在一定程度上保证反应堆安全，即可以顺利将反应堆中的热量带出堆芯，防止堆芯熔毁，相对于仅依靠电力或其他机械部件的驱动维持反应堆安全的能动系统，非能动的安全系统的设计理念对于工程安全领域是一次飞跃。从非能动的概念中可以看出，非能动并不是代表着完全可靠或者说非能动技术完全优于能动技术，只是在原理上拥有着固有安全性，随核电站技术水平的不断提高，其对非能动安全技术的可靠性仍会不断地有更高的要求。尽可能地将能动与非能动系统有机地结合以极大地提高核电站的可靠性是系统安全运行的强有力的保障。有关学者将现有的非能动技术分类，主要有如下几种类型：自然循环类型、重力作用类型、惯性作用类型、温差传递类型、材料效应类型、体积变化类型、虹吸效应类型、密度锁类型、负反馈类型、压力作用类型、逆止阀类型、氢气复合器等。

2 非能动安全系统的应用

AP1000采用了先进的非能动技术，在此基础上也简化核电厂房设计，提高了安全性和可维修性，同时也增强了核电站的可靠性和运行能力。作为较为成熟的压水堆技术，世界上绝大多数的压水堆都采用了AP1000作为研究基础。为了实现平稳安全的运行性能，AP1000采取了保守的压水堆技术，将自然循环能力作为其安全系统的特点，在核电站设计之初强调了非能动技术理念的贯彻，安全系统多是采用如重力、惯性、密度差、对流等自然驱动力来实现对反应堆在紧急情况下的安全保障等措施。例如在全厂失电的情况下，控制棒靠重力下落至反应堆芯中实现紧急停堆；在主冷却剂泵上设有飞轮以增加惯性，即使主泵断电仍可依靠惰转持续将反应堆中的余热带出，防止出现堆芯熔毁事故；通过布置高位水箱，增加水的重力势能，在回路上升段采取注气加热等手段，改变上升段流体密度甚至出现两相流动的情况，以增加自然循环的驱动力，加速将热量带出。

AP1000重要的非能动安全设施包括非能动余热排出系统和非能动安全壳冷却系统（PCS）。在发生全厂断电或电源丧失的情况下，泵类等机械设备不能正常工作，一回路依靠主冷却剂系统的自然循环将反应堆堆芯余热排至蒸汽发生器，同时蒸汽发生器与冷却器所在的二回路也发生着应急给水的自然循环，这时三回路将从二回路吸收的热量依靠一定的自然循环能力传递给最终的热阱即海水，以非能动的形式排除堆芯余热。同时注意到要持续地使回路中工质保持自然循环需要一定的驱动力，当剩余热量的排出达到一定的程度时，系统由于密度差所带来的自然循环驱动力不足以维持其继续进行，此时工质的流动出现了暂歇现象，直到反应堆积累的热量又一次达到驱动三个回路继续运行的最低驱动要求为止，非能动余热排出系统才能继续运行，所以这是一个间断性的余热排出过程。由于这个过程中仍然受制于一些不可控因素而导致系统失效，由此可看出此系统实际上并不是最优的，目前来说只有实现能动与非能动技术的结合应用，才能最大化的保证系统的安全。

另一个应用于AP1000的重要非能动安全设施是非能动安全壳冷却系统（PCS）。若在安全壳所包容的一回路出现管道或设备破口，高温高压具有放射性蒸汽的泄漏使安全壳内压力上升，非能动安全壳冷却系统投入运行。PSA系统中最重要的部件是采用双层设计的安全壳结构，内表面是钢制材料并将其作为传热表面，外表面是钢筋混凝土的屏蔽结构。壳内产生的蒸汽在冷的钢制材料的内表面凝结放热，经由钢制壳的热传导传至钢壳的外表面。在钢壳体的外表面通过热对流、热辐射将热量传递给外侧的水和空气。同时厂房内的空气通过导流装置顺着安全壳外部逐级上升，在上升过程中不断带走安全壳外部的热量，最后通过上部的排气装置返回到环境中，形成自然循环。在上部设置有储水箱，当安全壳温度达到设定值时，高位储水箱向受热的钢制安全壳喷淋冷却。

3 广义非能动系统

韩旭等人提出了广义非能动的观念：一个系统具有非能动的特性，即高可靠性、简捷性、自动性，其功能所需的能量来自于系统能量或其能源子系统，其时间空间特性满足应用的要求，则此系统定义为广义非能动系统。广义非能动系统在功能上与一般意义上的非能动系统是相似的，其应用于核电站设计上可进一步提高核电站的安全水平。

4 结论

AP1000核电厂被设计为一种能满足要求并能在世界范围内广泛适用的先进技术，作为较为典型的非能动型核电厂，它除了在设计上拥有核电站的固有安全性，还能最大限度的简化核电站的总体设计及建设成本，相比前几代堆型其运行成本及维修造价也能有较大的降低，对于核电厂的经济性发展和安全水平的大幅度提高有明显的促进作用。对非能动技术的深入研究是能源领域的挑战，同时要将能动技术与非能动技术有机结合，注重技术革新，强调其在核安全中的重要作用，是核领域研究学者不断面对的挑战。

[1]彭敏俊，王兆祥.船舶核动力装置[M].北京：原子能出版社，2009.8

[2]西屋电气公司.西屋公司的AP1000先进非能动型核电厂[J].现代电力,2006.10，23（5）.

[3]周涛，李精精，汝小龙等.核电机组非能动技术的应用及其发展[J].中国电机工程学报，2013.3，33（8）.