滨海压水堆核电厂冷源安全研究

时间：2024-08-31

刘亚伟，包志彬，张炎

（阳江核电有限公司，广东阳江 529941）

2004年WANO（世界核电运营者协会）发布SOER（重要运行经验报告）《SOER 2007-2冷却水取水口堵塞》［1］，分析了2004年至2007年间发生的44起冷源事件，结果表明无论堆型和取水口如何配置，冷源事件仍在持续发生。

近年来，国内部分核电厂发生了多起由于毛虾、水母、海藻、漂浮垃圾等异物入侵取水系统，而造成海生物附着、鼓网堵塞等现象，迫使核电机组降功率或停机停堆，随着类似经验反馈的增多，冷源安全问题愈发突出［2，3］，国家核安全局和国家能源局对此高度重视。

2016年4月，国家核安全局发布《关于近期海洋生物或异物影响核电厂取水安全事件的通报》［4］，要求各核电厂认真分析自身可能存在的问题，做好类似事件的应对措施。2020年12月，国家能源局南方监管局印发《广东、广西、海南三省（区）电力安全生产专项整治三年行动指导意见》［5］，要求开展核电厂冷源安全治理工作，采取有效措施防范异物入侵引发停机停堆。

1 核电厂冷源特点

截至目前，国内核电厂均建在沿海地区，其最主要原因是海水储量丰富，可靠性更高。但与此同时，海生物种类繁多、数量庞大，为了防止海生物进入核电厂取水系统，通常在进水明渠设置若干道拦截网，用于拦截海生物和生活垃圾，经过拦截和过滤后的海水进入核电厂冷源系统，为核岛和常规岛设备提供冷却。国内某核电厂取水和冷源系统布置如图1和图2所示。

图1 国内某电厂拦截网布置Fig.1 Intercept network layout for a power plant

图2 压水堆核电厂冷源系统简图Fig.2 Intake cooling water layout of PWR

2 失去冷源的影响

虽然核电厂取水口完全堵塞的概率极低，但是作为理论分析，仍然假定一种工况：初始正常满功率运行，突发大规模海生物入侵导致全部取水口完全堵塞，电厂失去全部冷源［6-8］。

电厂失去冷源后，安全相关系统热交换器入口温度逐渐上升，核岛相关设备热量将无法导出，反应堆自动停堆，以减少热量的产生。停堆后由于衰变的存在，热量仍在持续产生，通过模拟机计算，停堆后的堆芯功率由2879 MW快速降低，2分钟后下降速度减缓，20分钟后堆芯仍有54 MW热功率，此后衰变热下降速度越来越缓慢。大量衰变热量无法及时导出是导致核事故的最主要原因。

停堆后由于核岛冷却水温度升高，导致主泵电机轴承温度升高，最终主泵跳闸，主泵跳闸后一回路失去强迫循环，进入自然循环，自然循环是一种非能动循环，靠重力和密度差作为驱动力，把堆芯余热传递到蒸汽发生器，实现余热导出功能。自然循环可以持续不断地导出堆芯余热，保证堆芯安全。

主泵轴封失去冷却，轴封注水温度升高，最终可能导致机械密封损坏。ACPR1000核电机组设置有非能动停车密封装置，它由PEEK材料制成，这种材料能够在温度达到155℃以上时软化变形，完全包裹轴封间隙，确保放射性不会通过主泵轴封释放到安全壳内。

核岛冷却水温度升高后，乏燃料（经过裂变反应后从堆芯中卸下来的燃料）水池冷却受到威胁，如果乏燃料水池得不到有效冷却，水池温度会逐渐升高，根据乏燃料贮存数量及卸料时间不同，硼水在几十至几百小时内发生气化。硼水蒸发导致水位逐渐降低，一旦乏燃料露出水面，乏燃料完全失去冷却，最终将会导致乏燃料损坏变形，放射性将释放到燃料厂房中。图3表示了乏燃料水池升温到100℃所需时间随换料时间的变化。

图3 乏燃料水池升温到100℃所需时间Fig.3 The time required to heat up to 100℃

乏燃料水池温度升高是一个相对缓慢的过程。压水堆核电机组设置了多种乏燃料水池补水方式，即便叠加全厂失电的极端情况下，仍能通过消防车或者燃油泵进行补水，有效地保证了乏燃料水池的补水及冷却。在福岛核事故后，新机组增加了安全壳和乏燃料水池中长期余热排出系统，作为所有冷却手段都失效后的备用，该系统通过空气冷却塔可以实现对乏燃料水池和安全壳的冷却功能，大大提高了应对超设计基准事故的能力［9］。

失去冷源后，相关厂房环境温度无法保证，人员居留环境变得恶劣，重要仪控设备房间温度升高，可能导致重要仪控设备损坏。为了保证设备和人员居留环境，压水堆核电机组设置空气冷却制冷机，此设备无需冷却水，通过空气冷却对核岛相关厂房进行制冷，能保证相关房间温度在规定范围内。此外，可以通过安全壳喷淋系统冷却器对核岛冷却水进行反冷，热量最终通过换料水箱传递到空气中，从而保证核岛冷却水温度不会升到不可接受的程度。失去冷源后主要设备温升模拟机计算结果如表1所示。

药后30 d，30g/L甲基二磺隆4个剂量处理及对照药剂（CK）对野燕麦的鲜重防效分别为82.32%，88.65%，92.88%，97.36%，88.65%；对雀麦的鲜重防效分别为85.74%，90.13%，94.67%，97.81%，91.22%（表3）。

表1 失去冷源后温升计算结果Table 1 The calculated result of temperature change

通过上述分析可知，压水堆核电机组全部失去冷源的概率极低，即便失去冷源会给机组带来非常不利的影响，但是针对每种风险都设置了多重应对措施，可以保证机组安全。

3 冷源相关事件分析

本文收集了2014年至2020年间国内外16起冷源相关事件，对这些事件的发生时间、后果和致灾物进行汇总，如表2所示。其中有8起事件导致停机、停堆，5起事件机组被迫降功率，3起事件袭击了多机组，4起事件短时间内对同一机组多次袭击。这16起事件具有以下共同点：

表2 国内外冷源事件统计Table 2 Intake cooling water event statistics

（1）致灾物种类与核电厂所处海域相关，黄海、渤海区域致灾物主要是水母，南海区域致灾物主要是毛虾和棕囊藻；

（2）致灾物爆发与季节和天气相关，夏季受水母和海地瓜影响事件较多，冬季受毛虾和棕囊藻影响较多，恶劣天气影响加剧；

（3）冷源事件具有共模性，容易导致同一基地多机组同时受到袭击，或者短时间内多次袭击同一机组，同一电厂的致灾物基本相同。

核电厂的冷源系统设置多道防护屏障，增强了对海生物和漂浮垃圾的拦截，分析这16起事件发现，目前核电厂冷源系统仍存在一些共性问题：

（1）取水口拦污设施的设计缺乏系统性的技术规范或标准。目前只在《核电厂海工构筑物设计规范》中涉及到拦污设施的一般规定和设计标准，没有更详细的技术指标或规范进行补充完善，也没有在FSAR（最终安全分析报告）中进行分析论证。

（3）缺乏对核电厂海域海生物的系统性调查，如海域内海生物爆发情况及种类，爆发的时间及持续时长等。大部分核电厂是在冷源受到威胁之后才采取相应的改进措施。

为进一步提高核电厂冷源安全性，本文建议从监测、预防、处置三个方面进行改进。

3.1 监测

通过运行参数监测、取水口定期巡检监测、卫星遥感、水质和水文监测、反冲洗生物采集监测、监测雷达、水下视频、声纳探测等可行有效的手段，针对不同的致灾物设立全面、全时的监测手段，保证及时发现可能引发取水系统堵塞的异常情况。并将这些监测、预测信息及时传递到主控制室，以便相关人员及时做出相应的预防行动［10］。

本文建议定期评估环境状态的改变对设计基准的影响。环境改变造成海洋环境发生变化，可能造成海藻、海草和海生物的意外或突然增加，如果这些方面考虑不全面或者没有定期评估，可能导致某些原有设计特征不足以减轻这些事件的发生。例如2020年6月笔帽螺入侵某电厂，这种直径小于3 mm的海生物可以穿过电厂所有拦截装置，造成过滤器堵塞，笔帽螺大范围聚集成灾尚属国内首次发现，属于超出原设计范围的新风险。某核电厂打捞出的笔帽螺如图4所示。

图4 笔帽螺Fig.4 Creseis acicula

3.2 预防

本文建议制定取水口拦污设施相关设计规范，加强冷源系统管理与维护，制定维修大纲和策略以及工作过程管理，维持冷却水取水口建筑物、设备及相关系统的工作能力。

本文建议编制海生物风险日历，根据不同时段提前采取应对措施，拦截网设置应根据风险日历变化。拦截网要做到全断面拦截，且各道拦截设施应做好功能及拦截对象分析，利用粗网与细网、平面网与网兜组合设置。网的数量不宜太多，减少人员潜水作业，应急网宜通过监测预警系统实现自动布放功能。核电厂应及时对拦截网进行清理，避免拦截网因过载而断裂。表3列举了南海地区冷源风险。

表3 南海地区冷源风险日历Table 3 Risk in the South Sea