《一种更为安全的第三代核电站概念设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种更为安全的第三代核电站概念设计（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、一种更为安全的第三代核电站概念设计1， 现有和新建核电设施安全水平标准有待提高核安全与放射性污染防治“十二五”规划及2020年远景目标中设定的总体目标为：进一步提高核设施与核技术利用装置安全水平，明显降低辐射环境安全风险，基本形成事故防御、污染治理、科技创新、应急响应和安全监管能力，保障核安全、环境安全和公众健康，辐射环境质量保持良好。具体目标：在核设施安全水平提高方面，运行核电机组安全性能指标保持在良好状态，避免发生2 级事件，确保不发生3 级及以上事件和事故；新建核电机组具备较完善的严重事故预防和缓解措施，每堆年发生严重堆芯损坏事件的概率低于十万分之一，每堆年发生大量放射性物质释放事件的概
2、率低于百万分之一；消除研究堆、核燃料循环设施重大安全隐患，确保运行安全。在事故防御方面，完成运行和在建核电厂、研究堆、核燃料循环设施的安全改造，提高核设施抵御外部事件、预防和缓解严重事故的能力。远景目标：运行和在建核设施安全水平持续提高，“十三五”及以后新建核电机组力争实现从设计上实际消除大量放射性物质释放的可能性。到2020 年，核电安全保持国际先进水平，核安全与放射性污染防治水平全面提升，辐射环境质量保持良好。目前已经设计运行的“二代+”压水堆型比较公认的每堆年发生严重堆芯损坏事件的概率低于五万分之一，每堆年发生大量放射性物质释放事件的概率低于五十万分之一，在数量级上已经比较接近安全标准要
3、求。在国家核安全局有意淡化堆型“代际称谓”的情况下，个别核电投资业主或总包商可能利用一些似是而非的局部设备系统优化概念或“概率数字游戏分析”手段宣称“二代+”堆型的安全水平达到了标准要求，这事实上可能为核设施安全埋下隐患，核电安全水平的提高就可能成为一句空话。虽然新建核电机组发生严重堆芯损坏事件概率分析、发生大量放射性物质释放事件概率分析缺乏统一规范的评价方法，各个核电设计单位提交的概率分析数据结果缺乏具有政府公信力的验证平台验证确认；但是鉴于AP1000/AP1400堆型技术推广宣称能够做到每堆年发生严重堆芯损坏事件的概率低于五百万分之一，每堆年发生大量放射性物质释放事件的概率低于五千万分之
4、一，大幅度提升核电安全水平的空间确实较大。核安全规划的立足点和出发点就是切实引导和鼓励核电从业单位走技术创新和安全发展之路。在借鉴AP1000第三代压水堆概念设计思想的同时，避开知识产权陷阱，立足于自主创新和研究，开发一种更为安全的第三代压水堆核电站是必要的、而且是完全有可能的。建议研究和新建一种更为安全的、具备较完善严重事故预防能力和缓解措施的第三代压水堆核电机组，每堆年发生严重堆芯损坏事件的概率低于千万分之一（或百万分之一），每堆年发生大量放射性物质释放事件的概率低于亿万分之一（或千万分之一）。2，增设非能动余热排出、非能动堆芯冷却和防海啸应急发电设施，改善和提高现有或新建核电设施安全水平
5、；当前，国际国内在役运行核电站均采用能动安全系统设计，使用应急柴油发电机作为应急电源，驱动水泵使冷却水流动，确保核反应堆安全系统正常运行。严重事故下，核电站丧失各种动力电源，应急柴油发电机组可能无法启动，造成应急电源同时丧失，能动安全系统无法工作，反应堆内部热量无法转出会导致堆芯融化，造成严重核事故，如日本福岛核事故。 第三代压水堆AP1000概念设计最为引人注目的创新在于非能动安全系统方面，即非能动余热排出系统、非能动注射系统和非能动安全壳冷却系统等。我们可以利用设计思想不同的技术路线为新建核电机组或在役机组改造提供一种区别于AP1000但优于AP1000的核电站非能动安全系统的设计方案。这
6、种非能动设计方案利用高位能应急水源自身的重力势能，在核电站危急事故发生后，流量控制组件（如爆破阀等）启动，应急水源以直接换热、驱动水力透平、水力发电三种方式参与核电站反应堆安全系统发挥作用，快速可靠实现非能动堆芯冷却、非能动余热排出和防海啸应急发电等安全功能，带走反应堆内部热量、抑制核事故的扩展。这种非能动设计方案无需外部动力电源，具有非能动特性，可确保反应堆安全水平提高若干个数量级以上；同时，这种非能动设计思想既可以在新建核电机组总体设计方案中实施应用，也可以用于现役核电站安全实施的优化改造和提升。在核电站周围一定公里范围内地势高于核岛堆芯的山凹之处配套建设小型蓄能水库作为应急水源，蓄能水库
7、库容设计包含两方面的考虑，一个为核岛非能动安全系统冷却用水库容（简称安全库容），一个是应急发电蓄水库容（简称发电库容），一般水库上部绝大部分库容用于防海啸应急发电，底部小部分清洁库容用于核岛各类安全系统冷却用水。从环境保护和设备防腐角度而言，应急蓄能水库以储蓄淡水为宜。蓄能水库最低水位一般至少高于核电站核岛堆芯60m左右（如受核电站地形地势所限，10 50m低水头也可以接受，但需要匹配较大的库容），相对高的发电水头有利于减小蓄水库容，降低蓄能水库土建投资。以蓄能水库最低水头60m为例，基本库容设计为320万m3，容积大约为800m400m10m，其中20万m3为安全库容，其余为发电库容。若蓄能
8、水库最低水头可达100m，基本库容设计为200万m3，容积大约为500m400m10m，其中20万m3为安全库容，其余为发电库容。地处内陆的核电站通过自然蓄水或从江河湖泊取水进行换热和冷却；濒临沿海的核电站可通过海水淡化系统生产淡水作为应急蓄能水库水源途径之一。蓄能水库泵水后储存的淡水具有了势能，既是核电站应急发电系统和非能动安全系统循环冷却水源，同时也是核电站电力产品之外一个副产品，可将蓄能水库蓄满后的多余淡水通过管线输送至邻近的工业园区或大型耗水工业项目，通过提供工业用水实现部分经济收益以回收投资成本。21，增设非能动余热排出系统的技术路线鉴于应急蓄能水库安全库容的设立，如果将20万m3海
9、量安全库容作为新一代压水堆核电站非能动安全系统的水源，且设置两套工作原理不同的非能动余热排出系统（任何一套都能够独立排出反应堆停堆后产生的全部余热），由于水量远大于AP1000的3000吨，余热排出冷却效果和设备系统可靠性要优于AP1000第三代压水堆。非能动余热排出系统第一条技术路线是喷淋汽化余热排出系统（如图一所示），其工作机理与AP1000较为类似，用钢制管道引蓄能水库安全库容清洁水，喷淋在余热排出热交换器外表面后汽化蒸发带走热量，蒸汽通过烟囱效应自然循环上升，与空气对流后将热量排至热阱。喷淋汽化余热排出系统散热能力可设计为完全独立排出反应堆停堆后堆芯产生的全部余热。非能动余热排出系统第
10、二条技术路线是热水冷水换热余热排出系统（如图二所示），其工作机理是利用蓄能水库安全库容水位势能，清洁水顺钢制管道自然向下流动形成流速，通过热交换器热水冷水换热带走反应堆停堆后堆芯产生的全部余热。非能动余热排出系统第三条技术路线是水力透平泵余热排出系统（如图三所示），其工作机理为余热排出泵强制循环将堆芯余热通过热交换器传递至热阱，如同目前常规堆芯的余热排出系统，其创新之处在于泵的动力源自水力透平而不依赖于外部电力，水力透平将蓄能水库安全库容的势能转化为机械能从而实现余热排出系统的非能动特性。1. 反应堆安全系统2. 流量控制组件3. 输水压力管道4. 应急蓄能水源.图一三条技术路线选择其二配套作
11、为核反应堆非能动余热排出系统，均利用蓄能水库安全库容水位势能，不依赖任何其它外动力，完全具备非能动安全特征。余热排出系统通过钢制管道与蓄能水库连接，冷却用水流量和管道直径由余热排出热交换能力计算确定；管道出口端并联安装两路流量调节控制阀门，反应堆正常运行工况下为关闭状态；一路为电动执行阀门，由厂用电和蓄电池提供电能，另一路为爆破阀门，由脉冲信号控制开启。反应堆需要正常停堆的情况下，由厂用电或蓄电池开启电动执行阀门，非能动余热排出系统投入工作状态；反应堆各种事故工况下，核电站全厂可能失去电力，一般优先通过蓄电池组打开电动执行阀门启动余热排出系统；在蓄电池组同时失效这一极为特殊的应急情况下，可由脉
12、冲信号控制打开爆破阀门快速启动余热排出系统。图二1. 安全热交换系统3. 输水压力管道2. 流量控制组件4. 应急蓄能水源.图三2. 流量控制组件1. 水轮透平泵组3. 输水压力管道4. 应急蓄能水源.5. 应急高位水箱.非能动余热排出系统第三条技术路线水力透平泵余热排出系统中可并联一台同样工作性能和参数的备用泵（如图六所示），备用泵选择常规的电机作为动力源，可考虑厂用电、应急移动电源或其它应急发电驱动，提高非能动余热排出系统的整体可靠性。22，增设非能动堆芯冷却系统的技术路线压力容器外壳底部设置低压冷却水套，在严重失水事故工况下，压力容器底部如能得到足够的清水冷却和散热，可完全彻底排除压力容
13、器底部熔化概率，反应堆安全水平得到质的提升（如图四所示）。1. 压力容器夹套2. 流量控制组件3. 输水压力管道4. 应急蓄能水源.5. 应急高位水箱.图四在反应堆压力容器壳体外部设置低承压冷却水套，承压冷却水套基础可由混凝土浇注而成，内壁衬50mm厚度钢板，承压等级低于压力容器或与压力容器相当。承压冷却水套与压力容器外形轮廓相似，与压力容器外壁形成约一米左右的U形冷却水腔（压力容器支承部件可穿过冷却水腔但需密封），承压冷却水套的高度要高于堆芯。压力容器顶盖大法兰下端伸展出环形承压密封钢板，与承压冷却水套U型口上端面形成端面环向静压密封，夹套U形底部处开置冷却水入口，在U形承压冷却水套上部开置
14、冷却水出口。蓄能水库一个更为重要的用途是为压力容器壳体外部承压冷却水套提供水源。在反应堆正常运行工作期间，承压冷却水套内部充满常压空气，为无水状态，防止过度散热影响核电站发电效率。在反应堆事故工况下，除紧急启动非能动余热排出系统之外，可将蓄能水库安全库容清洁水引入承压冷却水套用来冷却压力容器底部，冷却水工作流量设计为足以独立排出反应堆停堆后堆芯产生的全部余热。因承压冷却水套的设置存在且蓄能水库具有海量库容，压力容器整体温度可控，如冷却水流循环正常且流量足够，压力容器壳体外壁温度不会超过350；即便在压力容器内部燃料棒或堆芯熔化的极限超设计基准事故情况下，由于压力容器底部浸没在流动的水中，也能彻
15、底排除压力容器底部熔化烧毁的可能性；也就是说，承压冷却水套中水流没有汽化蒸发干净，压力容器底部熔化概率就为零，承压冷却水套本质上提升了反应堆的安全特性。为安全保险起见，设不同路径两路冷却水流进入承压冷却水腔。一路将非能动余热排出系统水水换热排出的水流引入承压冷却水腔，另一路直接引自蓄能水库。管线入口电动执行阀门与爆破阀门的设置机理与非能动余热排出系统完全类似。冷却水腔出水可排入一个预先设置的水池留置，在各项水质指标检测正常的情况下可由水泵打回蓄能水库循环利用。23，增设防海啸应急发电系统的技术路线在小型应急蓄能水库设置到位的前提下，核电站可配套建设应急水轮发电机组作为防海啸应急发电系统（如图五
16、所示,图六所示），应急水轮发电机组功率与应急系统需求功率总和相匹配，二代压水堆需求总功率约6300KW左右。对核电站整体而言，设置两套工作原理不同的应急电源系统（如应急柴油机发电系统和应急防海啸水轮机组发电系统）既互相替代、又互为保障，可共同提升和改善核电站应急电力系统的整体可靠性。设置应急水轮发电机组的好处是：a，核电站全厂失电且应急柴油发电机组完全失效不能优先投入应急发电的情况下，可以通过蓄电池电能打开水轮机电动阀门（或者通过脉冲信号打开水轮机入口爆破阀门），使水轮机组快速实现“黑启动”提供核电站安全系统需要应急电力；b，水轮机过流部件选材合适的话，水轮机组在被海啸淹没的情况下也可以短时实现正常应急发电，过流后的水力部件由于淡水的包围保护反而能避免海水的腐蚀损坏；c，小型水轮发电机组技术成熟、应
