CP1400抗震设计及地震停堆系统设计及优化

陈丽培 方小虎

【摘 要】本文结合国内外法律法规，介绍了福岛事故后对核电站厂址抗震的设计及核电站在地震前后的运行及停堆等一系列要求，对比了福岛事故前后设计基准的一些改变。在结合核电站抗震的设计要求的基础上介绍了CAP1400厂址的抗震设计以及CAP1400地震自动停堆系统设计的背景，同时详细介绍了CAP1400自动停堆系统的设备配置及布置情况。

【关键词】CAP1400 抗震 停堆 地震加速度

1引言

自福岛事故以来，地震等自然灾害对核电站的威胁受到了高度的重视，各国核安全相关部门对电站抗震也提高了要求。CAP1400示范工程作为《国家中长期科学和技术发展规划纲要》（2006-2020）确定的16个重大专项之一，对我国的能源战略和构成有着重大意义，对其抗震也提出了更严格的要求。本文结合厂址抗震设防，给出了CAP1400的抗震举措以及地震自动停堆系统的设置情况。

2 CAP1400抗震设计

核电站的厂址抗震要求比较特殊。IAEA给出安全停堆地震设计基准为不低于0.1g，我国选址评价中最低值是0.12g。之前采用的是万年一遇的设计基准地面运动水平进行设防，且安全停堆地震动水平不小于0.15g。而福岛事故后核安全局《新建核电站要求》中提出新建核电厂SSE设计基准不低于0.3g，URD和EUR分别要求SSE设计基准为0.3g和0.25g。

CAP1400项目从设计初就采用最高标准，设计参数要求CAP1400自由场地面运动（自由场地面运动指的是地震引起的地面震动，不包括地貌、工程结构和设施振动反馈对地面震动的影响）水平和竖向峰值加速度均小于或等于0.3g，其抗震要求满足核安全局最新、最严格标准。CAP1400项目采用确定论和概率论方法确定厂址地震动参数，综合两者确定厂址SL-2级设计基准震动参数（加速度、烈度、反应谱），相关要求有：地基岩土体剪切波速大于或等于1100m/s（相当于岩石地质）；被动土压力的土体不存在液化问题等。

需要注意的是，同AP1000核电厂一样，CAP1400的设计中已经去除了对运行基准地震（OBE）的要求，取消OBE的原因有以下几个：（1）工业界和NRC认为OBE设计的特性是落到设计准则所定的安全裕度以外的一个额外裕量，取消OBE不会导致整个核电厂安全裕量显著降低；（2）经验及研究成果均已表明，SSE载已经包络了OBE使用载荷组合；（3）核电厂管道系统考虑了地震对应力和疲劳的影响，结论是对于一次应力，如果OBE反应为SSE反应的1/3，则认为SSE载荷是控制管道设计，取消OBE不会影响其安全裕度，管道的失效是归结为包括设计、建造和运行中的失误；（4）完全锚固的机械设备具有很强的抗震性能，并能保持其完整性，可运行性通常由有效间隙公差不超过限值来保证，它是由SSE而不是OBE所控制的[1]。某些可能对低级别地震较敏感的设备设计中，以一定比例的安全停堆地震计算响应来考虑这种低级别地震的影响。地震后电厂是否需要停堆的评判准则是利用累计绝对速度的方法建立，停堆的运行基准地震考虑为安全停堆地震的1/3。对于地震造成的疲劳损伤，则需另行分析，例如控制棒的承压壳体，地震造成的疲劳的评定基于振幅为安全停堆地震的三分之一的5次地震事件和每个事件63次循环[2]。

3自动停堆系统

规程对运行要求“如果地面运动超过运行基准地震动OBE，或者电厂发生显著破坏，营运单位必须停堆”，CFR文件中规定：如果地面震动加速度超过了运行基准地震或者电站发生显著破坏，电站运行者必须有一个明确的计划来保证核电站安全停堆。在电站重新启动之前，电站运行者必须向监管单位证明那些保障公众健康、防止放射性释放功能的设备完整性[3]。电厂发生显著破坏须停堆的要求是无需解释的，但是地面运动超过运行基准地震动OBE要求停堆这一条已经不适合AP1000，相应的也不应适用于CAP1400，因为AP系列的电站抗震设计时已经取消了运行基准地震，但发生地震时也有相关停堆要求。RG1.166也对手动停堆提出了一些要求，具体动作可由操纵员来完成[4]。

4 CAP1400自动停堆设计优化

国家核安全局在《新建核电厂安全要求中》对新建电站提出“宜设置地震自动停堆系统”。从安全的角度来看，设置地震自动停堆系统是非常有益的，但国内具备此功能的电站不多，AP1000系列的电站也未具备此功能。目前，国内某电站设立了具有类似功能的地震保护系统，在地面加速度大于0.1g时可以自动停堆，迄今尚未触发过停堆信号，但曾在爆破活动中出现过预报警。从实现电站安全功能的角度出发，地震自动停堆系统并不直接影响一回路的完整性，因此没有必要设为安全系统。

结合后期研发情况，目前国核示范根据地震自动停堆系统设计情况为决定设立，名称为地震自动停堆系统（Earthquake Scram System，简写ESS），采用地面峰值加速度设置停堆整定值，系统采用测点位置峰值加速度作为停堆参数，整定值为0.3SSE反应谱对应的ZPA（设计地面峰值加速度）。ESS起纵深防御作用，非安全有关系统，独立于地震监测系统（SJS），也不执行地震数据记录功能；系统分级要求为非1E级（D级）、NR、抗震I类，采用4通道冗余架构，包括4台加速度传感器和2台数字式信号处理机柜；每台机柜分别进行2/4表决，输出的停堆信号分别单独控制一台棒电源机组出口断路器，最终停堆驱动为2/2逻辑。设备布置为4台地震传感器均布置在核岛底板，并分别安装在12厂房1层的4个蓄电池间或其附近区域，满足ALARA原则；2台机柜分别布置在12厂房的2个备用间。在上述设备的作用下，CAP1400的自动停堆系统能够满足所需的地震时停堆要求。

参考文献：

[1]The passive ALWR-NPP，ALWR-URD.III[R].US：Electric Power Research Insititute，1995.

[2]林城格.非能动安全先进压水堆核电技术[M].原子能出版社，2010，5.

[3]US.10CFR Part50，App.S“Earthquake Engineering Criteria for Nuclear Power Plants.

[4]RG 1.166-1997 Pre-Earthquake Planning and Immediate Nuclear Power Plant Operator Postearthquake Actions.