福岛事故对AP1000核电厂厂用水系统设计的启示

马强

摘 要:对AP1000中厂用水系统(Service Water System, SWS)系统的重要性和先进性进行了比较性论述,并阐述了SWS系统故障对核电厂的影响,最后针对福岛事故的教训,给出了SWS设计改进建议。

关键词:核电厂AP1000厂用水系统(SWS)福岛事故设计改进

中图分类号:TL73 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)07(b)-0128-01

1厂用水系统简介

厂用水系统是一个非安全相关的系统,无论在电厂正常运行还是在事故工况,该系统都将设备冷却水(Component Cooling Water System,CCS)传输的热量带出。

2SWS系统对AP1000核电厂安全的影响

2.1 AP1000核电厂SWS系统的优越性

某些建造年代较早的核电厂,设备冷却水系统(RRI)向核岛内各热交换器供水,并将其热负荷通过重要厂用水系统(Essential Service Water System SEC)传到海水中[1]。

而在AP1000核电厂中,则是CCS系统将核岛构筑物、系统和部件产生的多余热量以及冷停堆过程的衰变热首先传递至设在常规岛的换热器,然后再由SWS系统送至大海或冷却塔。

两者主要区别在于:(1)AP1000的SWS系统均为非安全相关系统,而早期核电厂的SEC则是安全相关的系统,显然前者的建造和运行成本更低。(2)由于AP1000的非能动设计,SWS系统可以比SEC系统更加简单,只需要两台100%容量的厂用水泵即可,而SEC系统则需要4台安全相关的水泵[2]。

2.2 SWS系统故障对AP1000核电厂的运行影响

在电厂功率运行期间,如果两台厂用水泵发生故障,CCS热交换器冷却功能立即受到影响。CCS升温将导致反应堆冷却剂泵(RCP)定子温度报警,如果SWS没有及时恢复,则四台反应堆冷却剂泵停止运行,反应堆事故停堆保护。在这种情况下,衰变热通过反应堆冷却剂系统自然循环排出堆芯。可见SWS对核电厂的正常运行有着重要影响。

3福岛事故对SWS系统设计工作的启示

3.1 SWS系统构成

AP1000的SWS系统是一个封闭回路的冷却系统。它由两台100%容量的厂用水泵,自动反冲洗过滤器和相关管道、阀门、控制设备和仪表组成。厂用水泵抽取海水或冷却回水,然后将其送至设备冷却水交换器,排出设备冷却水系统中的热量。

SWS系统有两个系列,每个系列都有其独立的厂用水泵、过滤器和换热器,这些设备都可以互为备用,从而提高了系统的可靠性[3]。

3.2 福岛事故对SWS设计工作的启示

福岛事故的主要原因是地震海啸使电厂断电,衰变热无法排出,导致反应堆过热,并先后发生氢气爆炸和核泄露[4]。

SWS系统对核岛设备冷却的过程有至关重要的作用,因此我们在设计SWS系统时,必须充分考虑到地震和海啸对该系统的影响,以保证在极端情况发生的时候,SWS能够不发生重大损坏并能在损坏后很快恢复正常工作。

为了满足这一条件,SWS设计过程需采取如下设计方法。

(1)在SWS两个系列中均安装多个阀门,并设计多个连通管,以实现两系列各个组件的相互备用。具体做法为:在每个系列的设备冷却水系统热交换器的上游和下游管道之间设置连通管,从而两个厂用水泵中的任何一个都可以将冷却水输送给两个热交换器的任何一个,并且允许任意一个热交换器通过平行布置的另一个热交换器的排水管排放到循环水系统排水管中。厂用水系统将冷却水排放到循环水系统排水涵管,然后与循环水系统的排水混合后排到大海。(2)降低管道系统内部阻力。尽可能的减少弯头、三通以及阀门的使用,减少管道的转弯,尽量采用手动碟阀。(3)提高管道的耐用度。采用耐海水腐蚀的管道,在室内管材为AL-6XN,在室外则用HDPE,阀门采用耐腐蚀的衬胶碟阀。(4)厂用水泵也需注意防腐。大亚湾核电站当时所有8台SEC泵都是使用1Cr17Ni2这种不耐海水腐蚀的叶轮防转螺钉,因此8台泵的叶轮同时脱落导致8台泵同时不能使用,使电站核岛热阱险些全部丧失[5]。SEC系统在设计时已经考虑到了海水环境对设备的破坏作用,并采取了一系列防腐蚀措施,例如与海水接触时,不耐海水腐蚀的材料都采用保护层(橡胶衬里、水泥砂浆衬里)与海水隔绝。但是通过大亚湾核电站10多年的运行情况来看,仍有不少的腐蚀问题发生,SEC系统局部还存在防腐蚀设计和选材的不足之处,有可以改进的地方。在AP1000的设计工作中也需要注意这个问题。

4结语

简而言之,这次失事的日本核电站是老旧的、濒临退役的、安全理念不够完善的核电站,我们在AP1000 SWS设计工作需要从此次事故以及世界上众多核事故血的教训和经验总结中获取改进的资料,就如同每一次空难调查和反思都会使我们的民航客机更加安全一样—— 人类就是这样在曲折中付出代价,从而不断进步的。

参考文献

[1] 刘飞华,晏卫国.大亚湾核电站核岛重要厂用水系统(SEC)典型的腐蚀事件及评价[J].腐蚀与防护,2007,28(12):633-636.

[2] Westinghouse.AP1000 Design Control Document (Rev.16)[Z].May 2007.

[3] 林诚格.非能动安全先进核电厂AP1000[M].北京:原子能出版社,270-273.

[4] 柴之芳.从日本福岛核事故说起[J].科学文化评论,2011(5).

[5] DG.NSP.131.1U03/005.大亚湾核电站运行事件报告:SEC泵叶轮锁紧螺钉的防转螺钉腐蚀共模问题可能导致最终热阱丧失[Z].