地下核电站严重事故防护措施分析

武铃珺 张 航 张 明 邹志强 向清安

（中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610213）

0 引言

核电站严重事故是指事故发生后因安全系统多重故障和/或人员误动作/动作失败， 引起的严重性超过设计基准事故，造成核电站反应堆堆芯熔化，放射性可能突破多层或所有屏障，最终释放到大气环境中的事故工况。

核电站已发生的震惊世界的切尔诺贝利、三哩岛及福岛严重事故，展示了核电站发生严重事故的可能性及其后果的极端危害性，同时也一次次地推进着核电站严重事故防护措施的发展。 核电站具备完善的严重事故预防与缓解能力，已成为世界各国核安全当局及业主的共同要求。

中国核动力研究设计院和长江勘测规划设计研究院共同完成了600 MWe 级地下核电站（CUP600）的概念设计。 地下核电站为全新设计的三代核电机组，在设计过程中结合以往工程经验，参考国际、国内关于严重事故的研究成果，在严重事故预防和缓解方面进行了全面、深入的考虑，且由于地下洞室岩体防护作用等的加持，严重事故应对较地面三代核电站具有独特的优势，使得堆芯损伤频率（CDF）和大量放射性释放频率（LRF）指标满足并且远高于国家法规要求。

1 严重事故防护

严重事故的应对就是对放射性物质的防护。 为阻止放射性物质向外扩散，地下核电站设计建立了四道实体屏障：燃料元件包壳、一回路压力边界、反应堆安全壳以及地下洞室岩体。 其中，第四道屏障是地下核电站区别于地面核电站的特殊存在，是多一重的放射性防护保障。

严重事故对策按照四道屏障依次退防的纵深防御理念开展，针对每一道屏障完整性防护设置相应的措施，如图1 所示。

图1 地下核电站放射性防护示意图

1.1 燃料元件包壳完整性防护

纵深防御防止放射性释放的第一道屏障是燃料元件包壳，为了防止其完整性丧失，需要避免堆芯损坏，即防止堆芯熔化，第一道屏障的防护对应于严重事故的预防。

为防止堆芯熔化事故的发生，核电站将一系列假想的事故作为设计基准，根据事故的发生和发展有针对性地设置安全系统，并配置相应的处置规程，保证：（1）高质量地设计、施工和运行，最小化偏离正常运行状态的情况发生；（2）设置停堆保护系统和相应的支持系统，及时停堆，防止运行中出现的偏差发展成为事故；（3）设置专设安全设施，限制设计基准事故的后果，防止发生堆芯熔化。 特别的，与地面核电站相比，地下核电站在防护燃料元件包壳完整性方面独特的设置有（见图2）：

图2 预防堆芯损坏的主要措施示意图

（1）相较于地面核电站，地下核电站将核岛建筑全部置于岩体中，对于外部事件引起的事故有很好的防护作用：

（a）洞室岩体对飞行物或坠落物的撞击等提供了天然的保护，相对于地面核电站安全壳又多一重保护。

（b）洞室岩体的密封性使核电站受强风、雨雪等极端气候灾害的影响小，相对于地面核电站安全壳的防护有所加强。

（c）有研究表明，地下的地震烈度小于地面，因此，地下核电站受地震等地质灾害的影响较地面核电站小。 在相同的抗震裕度设计要求下，地下核电站能够承受更高的地震等级。

外部事件防护能力的提升，使诱发严重事故始发事件的发生概率降低，堆芯熔化事故概率降低。

（2）地下核电站采用水电联动设计，当水电与核电联合运行时，水电核电可以互为备用电源。

（a）丧失外电源事故是核电站中需要重点考虑的事件之一，其防护的难度和设计考虑的重点是外电网的恢复时间。 相较于地面核电站，由于水电的存在，地下核电站能够在丧失外电源的情况下迅速恢复外电源的供给，降低丧失外电源发生的概率。

（b）如果外电源不能在短时间内恢复，三代核电站设计有应急发电机，SBO 发电机以及附加应急发电机用于电源供应。 相较于地面核电站，由于水电的存在，地下核电站额外又多一重应急电源保障，即使在核电站自身应急电源全部丧失的情况下，也可通过水电为能动安全设施提供电源，使专设安全系统丧失以及全厂断电事故的发生概率降低。

（c）借鉴福岛事故经验，需考虑核电厂长期丧失全部热阱的工况，引入移动电源和移动水源进行安全防护。 相较于地面核电站，由于水电的存在，地下核电站可在移动电源能力不足时快速引入外部应急电源，持续为移动设备供电，降低移动设备丧失的概率。

（3）对于应急水源的考虑，地下核电站能够选择在地面合适的高程 （标高比核电站反应堆厂房洞室高的位置，可达180 m 以上）设置高位水池，利用高程差实现非能动供水，确保核电站正常及事故工况下的用水。

（a）利用厚实的岩层开挖的高位水池容量可以足够大。 甚至利用水电联动的优势形成高位水库，设置高位水库实现向高位水池的非能动供水， 高位水库的高程高于高位水池。 高位水库和高位水池的存在使得水源水容量极大地满足核电站事故后长期排热的要求，这一点可以解决内陆核电站冷源热阱不足的困局。

（b）高位水池实现的非能动注入，其重力压头可达1.8 MPa 以上， 相较于三代地面核电站现有设计的非能动注入水源压头（在0.1～0.6 MPa 范围）有很大提高，使非能动水源更早、更容易、更快速地注入需求部位。 在此条件下，地下核电站所设计的非能动系统具有较地面核电站更好的性能，例如，非能动余热排出系统，在事故中起效时间更早，且自然循环更为顺畅，确保堆芯完整。

（c）高位水池的高压头，使事故工况下应急注水对系统压力要求降低，相较于地面核电站减轻了卸压阀设计负担。

1.2 一回路压力边界完整性防护

纵深防御防止放射性释放的第二道屏障是“一回路压力边界”，在堆芯损坏无法避免的事故中，采取一切可行手段将熔融物滞留于一回路压力边界内，使其向大气释放的放射性降低到可控范围，是实现“从设计上实际消除大量放射性物质释放的可能性”的重要一步。

堆芯损坏的事故处置是严重事故缓解范畴，其处置原则和防止堆芯损坏有很大区别，要求尽量利用一切可利用的资源，必要时，可以利用一些不属于专设安全设施的系统与设备。 同时为了提升自身应对严重事故的能力，保持一回路压力边界的完整性，地下核电站设计中考虑了严重事故专有措施（见图3）。

图3 一回路完整性防护措施示意图

（1）设置快速卸压系统，保证严重事故下反应堆冷却剂系统压力降低到防止高压熔融物喷射的程度，实现应急注入需求的低压状态。

（2）设置堆腔注水系统，在堆芯熔融物掉落到压力容器下封头时， 通过压力容器壁面热量的传导，排放堆芯热量，从而控制堆芯熔化进程，维持压力容器完整性。

堆腔注水系统分为能动和非能动两个子系统。 如1.1 节分析，地下核电站在应急电源的优势，使堆腔注水系统能动子系统在严重事故处置中较地面核电站具有更高的可靠性。 高位水源也使堆腔注水系统非能动子系统在严重事故处置中较地面核电站具有更短的响应时间和更充足的水源。 从而地下核电站堆腔注水系统具有高于地面核电站的可靠性，使压力容器完整性丧失的可能性极低。

1.3 安全壳完整性防护

纵深防御防止放射性释放的第三道屏障是安全壳，在一回路完整性被突破的事故中，采取一切可行手段将熔融物滞留于安全壳内， 降低放射性物质释放，是实现“从设计上实际消除大量放射性物质释放的可能性”的关键一步。

安全壳完整性的防护是严重事故缓解措施的重要体现，是地下核电站控制放射性释放非常重要的一环，地下核电站设计中对此进行了全面的考虑（见图4）。

图4 安全壳完整性防护措施示意图

（1）氢气风险是福岛事故经验中严重事故应对关注的又一个重点， 地下核电站设置安全壳消氢系统，通过合理化设计，在安全壳内布置多台完全独立的非能动催化氢复合器。 消氢系统是相对独立，与其他系统没有接口，不需要控制信号、电源、气源等。 相较于地面核电站，地下核电站氢气风险控制还可以通过向洞室排放稀释浓度的方法实现。

（2）地下核电站设置非能动安全壳热量导出系统，用于在事故工况下安全壳的长期排热。 系统设计采用非能动设计理念，依靠上升段和下降段密度差驱动形成的自然循环流动排出安全壳内热量，高位水池高达1.8 MPa 的非能动注入驱动力， 能够形成很大的自然循环驱动压头，更利于自然循环流动和换热，且相对于地面核电站高位水池具有更大的储水能力，使安全壳排热得到更持久的保障。

（3）地下核电站设置安全壳过滤排放系统，通过主动卸压使安全壳内的大气压力不超过其承载限值，确保安全壳的完整性，并通过过滤装置对排放气体中的放射性物质进行过滤。

相较于地面核电站的直接排放（受到外部应急部署等诸多限制而不能轻易启动）， 地下核电站的安全壳过滤排放系统动作是将放射性物质包容在下一屏障“洞室”中，使洞室承受一部分原应由安全壳承载的压力负荷，排放系统的动作时机更加灵活，系统动作后对环境的危害大大降低甚至可忽略，在安全壳完整性的保持上发挥更为有效的作用，是其区别于地面核电站的显著优势之一。

另外， 依据福岛事故经验应关注安全壳内乏燃料的防护，地下核电站针对乏燃料池冷却，增加非能动冷却系统及补水，利用高位水池储水和位差优势降低乏燃料损坏的风险，也间接降低了安全壳失效的风险。

1.4 地下洞室岩体防护

地下核电站安全壳外洞室岩体外围的天然地质条件（土壤、岩石等）形成了纵深防御防止放射性释放的第四道天然的屏障。 这是地下核电站区别于地面核电站的显著优势，是实现“从设计上实际消除大量放射性物质释放的可能性”的重要保障，也是地下核电站取消场外应急的关键所在。

洞室不仅仅依靠于自身岩体的包容作用，设计中也有针对性的考虑了对放射性的处置措施（见图5）。

图5 洞室防护示意图

（1）洞室岩体将对多种途径溢出安全壳的放射性物质进行包容。

在地下核电站的设计中针对洞室的密封性、 土壤和岩体对放射性物质的包容性， 以及洞室承压能力等都做了大量的分析， 确保放射性物质进入洞室后能够依靠其自身的包容能力，避免放射性物质向环境泄漏。

（a）安全壳是地面核电站放射性防护的最后一道屏障，而地下核电站布置在洞室岩体中，又多了一道屏障，使放射性裂变产物到大气中要经历更长的传输路径，最终使更多的物质得到衰变和沉降，大大降低放射性危害。

（b）核电站放射性泄漏的一种模式是由于与一回路连通的管道（如化容系统、安注系统等）破裂，而破口位于安全壳外且不可隔离。 地面核电站此种工况放射性释放不可避免，但对于地下核电站此类管道均设置在洞室内，放射性不会向大气环境直接释放。

（c）对于蒸汽发生器传热管破裂事故工况造成的“安全壳旁通”这一地面核电站普遍存在的“一回路屏障被突破后造成放射性物质直接释放到环境中”的安全隐患，在地下核电站中由于洞室的设计而避免。

（2）地下核电站洞室对于放射性物质的防护不仅仅是包容，而是针对性地设置了防护措施：

（a）洞室内设置一定的过滤排放装置，当严重事故中不可避免地需向洞室内排放放射性气体时，可以通过固定式或移动式的过滤设备对这些进行处理，达到最终终止或减少放射性向环境的释放的目的。

（b）结合地下核电站的特点，设计中特别考虑反应堆洞室水力弥散防护，通过在岩体中设置灌浆隔水帷幕及排水幕等措施，对在严重事故工况下可能产生的泄漏于安全壳外的、或废液贮存罐（池）二次泄漏的放射性废液进行再次拦截、收集与处理，充分发挥岩体的天然屏障作用，减少大规模放射性物质扩散的可能性。

（3）洞室存在的另一个意义是封固埋葬，这相对于地面核电站具有明显的优势。

（a）如堆芯熔化进程不能终止，地下核电站能够通过天然的地质岩体将放射性物质和核电站整体封存，对环境的影响相对较小，这一点在地面核电站上很难实现。

（b）安全壳外洞室的剩余空间约50 000 m3，相对于安全壳内的有限空间（约15 000 m3），对于热量有更大的包容能力，同时周围大量的岩体将会吸收从安全壳内排放出的热量，即使严重事故后持续向洞室排放热量，洞室仍能长期维持其自身完整性。

（c）当安全壳完整性丧失，大量的氢气进入洞室内，较大洞室空间将使氢气浓度显著降低，氢气燃爆风险降低。

2 结语

地下核电站在严重事故防护方面相对于地面核电站具有独特的优势，能更好地对放射性物质进行包容和处置。

地下核电站在严重事故预防方面：岩体防护使由外部事件引发的不可控严重事故发生概率较地面核电站低。 在水电联动的运行模式下，电源供给可靠性较地面核电站高出很多。 高位水源使非能动系统运行能力和持续时间较地面核电站显著提升。

地下核电站在严重事故缓解方面：严重事故对策多方位设计：快速卸压系统、堆腔注水系统、非能动安全壳排热、安全壳过滤排放等。 洞室岩体形成较地面核电站多一重的放射性物质包容屏障。 在洞室对放射性物质包容、处置、封闭的加持下地下核电站放射性物质包容能力较地面核电站更为显著。

地下核电站通过合理选址及严重事故对策的有针对性设计，可实现“从设计上实际消除大量放射性释放”。