核电厂主控室可居留系统的优化

郑广慧，赵新艳

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

核电厂主控室可居留系统的优化

郑广慧，赵新艳

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

文章介绍了核电厂主控室可居留系统的优化设计，阐述了以往核电厂主控室在可居留方面的设计缺陷，通过优化改进，确保了主控室应急区域环境的条件满足人员一定期限的驻留要求，保证主控人员顺利采取事故干预措施，将事故损失及对环境的放射性污染降到最低。

核电厂；主控室；应急区域；可居留

核电厂主控室可居留系统是指在发生设计基准事故，甚至严重事故期间或之后，确保主控室应急区域环境条件满足人员一定期限的驻留要求，以使主控人员采取事故干预措施，将事故损失及对环境的放射性污染降到最低。

HAD002/01《核动力厂营运单位的应急准备》第6章“应急设施和应急准备”，将主控室作为核电厂的应急设施之一；美国标准10 CFR 50将主控室可居留系统归属于专设安全系统。因此，可居留系统设计是体现核电厂安全的一项重要内容。

1 优化设计背景

每个核电厂项目的建设都需要通过核安全部门的审核取证。根据美国标准10 CFR 50主控室可居留系统为核电厂专设安全设施，我国核安全局是以NRC NUREG-0800《标准审查大纲》第6章“专设安全设施”6.4节作为审查标准，对主控室可居留系统进行重点审查。

可居留设计还应执行国家标准HAF102和HAD002/01的规定要求。HAF102《核动力厂设计安全规定》（2004年）第1.2.1规定，设计应提供预防或缓解可能导致大量放射性释放的严重事故措施。HAD002/01《核动力厂营运单位的应急准备》第6章“应急设施和应急准备”，将主控室作为核电厂的应急设施之一，因此主控室的设计除提供应急物资储备、人员防护物品的要求以外，还应满足应急时可居留的要求。

根据国内外标准的要求，我国参考的核电厂设计中存在着一定的缺陷，需要按NRC NUREG-0800等要求开展优化设计。

2 主要特点

作为核电厂专设安全系统，可居留系统包括以下主要特点：

（1）可居留系统设计原则

1）人员呼吸用新风供应系统；

2）主控室可居留区域内的正压系统；

3）辐射防护；

4）构造维护系统；

5）构筑物能抵御自然或人为等外部设计基准事件：地震、龙卷风、洪水、小型飞机撞击及外部飞射物等；

6）火灾防御系统；

7）毒性或有毒气体的防护屏障系统；

8）食物、水、医药等维持生存的最低保障系统。

（2）可居留系统功能实现的必要条件

1）应急照明

应急时应立即可用，照度不低于200 lx。

2）应急通讯

线路传输方式至少双重，如微波、光纤等。

3）物质储备

人员生存基本物资：水、食品、药品等按每人7天量储备。

4）防护物品

防护衣、防护眼镜及直读式个人剂量计、热释光剂量计、碘片、应急灯等防护物品的储备。

3 优化方案

3.1 参考电厂的固有缺陷

（1）主控室应急区域边界不清晰

原主控室通风空调系统（DVC）除了为主控室应急区域（包括主控室、值长室、计算机室、厨房、卫生间）提供通风空调功能外，还为仪控设备间、办公室等不属于应急设施的诸多房间服务。

（2）主控室通风空调系统存在火灾共模失效缺陷

对于A、B系列主控室及相关仪控设备房间的通风空调，采用了共用设备及通风管网的设计，参考电厂主控室通风空调系统流程如图1所示。因此当A或B系列某房间着火时，会由共用管道将某列房间的火灾或烟雾引至另一列，导致A、B系列仪控设备或电缆同时不可用，严重时可导致A、B系列电源同时断电，即发生失去厂内电源事故。

（3）空气处理主设备无备用

空气处理主设备如过滤器、冷却器、加热器、加湿器都只设一台。当设备维修或更换时DVC系统必须停运。同时，这些设备位于主风机003ZV/004ZV的上游，在设备检修及例行检查时，人员因受到较强设备小室负压气流的影响，也通常不得不停运系统。这些都降低了系统运行的可靠性。

（4）空气处理主设备为混凝土小室安装

空气处理主设备安装在混凝土小室内，由于其存在龟裂、密封不严等原因导致系统泄漏量大，也不利于主控室噪声的控制。

3.2 总体思路

根据上述弊端，主控室可居留系统（DVC）优化及自主设计，必须在系统和结构空间许可范围内，采取可行的方案。其总体思路如下：

（1）分析参考电厂与新标准不相适应的地方

图1 参考电厂主控室通风空调系统流程图Fig.1 HVAC system in the main control room of reference power plant

参考电厂的基准事故为设计基准事故，而根据HAF102《核动力厂设计安全规定》（2004年）第1.2.1规定，设计应提供预防或缓解可能导致大量放射性释放的严重事故措施。标准的提高给设计带来了更高的挑战。

（2）H1、H3超设计基准事故

同样因为参考电厂的设计标准较低，没有考虑H1、H3事故工况时对核电厂的影响。H1事故工况为电厂丧失最终热阱的事故；H3事故工况为厂内、外电源全部丧失的事故。这些事故导致可居留的主控室通风空调系统DVC冷源丧失，主控室及DCS仪控设备间的温度会上升。对此类事故进行了热工分析并给出了相应对策。

分析目的在于评价出DVC系统在H1/H3事故期间所维持的主控室人员居留的温度状况及1E级重要仪控设备在容许的温度范围内能否满足一定的工作时长，使人员能够在该时长内将反应堆退防到安全状态。

3.3 技术方案

根据总体思路，开展的主要优化措施如下：

（1）对于大量放射性物质释放的严重事故

1）对主控室边界严格密封

— 对于主控室墙体、地面和吊顶，其内外表面用低渗透性油漆/环氧树脂密封剂进行喷涂；

— 用环氧树脂密封胶对与混凝土接触的贯穿件套管外表面进行密封处理；

— 对于管道贯穿件的内部孔洞，采用承压性不低于墙体的鉴定合格材料填充；

— 对于电缆桥架贯穿件的内部孔洞，用承压性鉴定合格且与电缆相兼容的材料填充；

— 门采用A2级防火的低泄漏密封条；

— 门上装有自回力关闭装置。

2）防外界污染空气的渗透

为使人员呼吸新鲜空气，满足一定卫生标准，HAF.J0055《核电厂控制室设计人因工程》规定，人员呼吸用新风量为0.43 m3/min·人；正压按30 Pa计算，设计时将参考电厂的新风量提高了50%，由600 m3/h提高到900 m3/h，并加大主控室的送、回风比例为1.2∶1。

3）剂量监测仪表升级为1E级

DVC系统由正常模式切换到事故应急运行模式的自动切换，依赖于KRT剂量监测系统的两个互为备用的仪表及控制管线，以便可靠、快速地执行对DVC系统运行模式切换的核安全相关功能，避免将事故时外界污染空气导入到主控室，将仪表升级为1E级是非常必要的。

4）以严重事故的S3源项进行可居留的事故评价

通过该评价找出影响评价结论的主要因素。当不满足事故可居留的放射性剂量限值时，通过方案调整直至达到满足为止。事故源项的选定评价过程如下：

可居留分析时不仅考虑设计基准事故，更考虑了严重事故。评估严重事故的可居留性时选用的是S3事故源项。源项是指各时段安全壳向环境的放射性物质释放量，单位为Bq。核素的输入顺序为有机碘、元素碘、气溶胶碘、其他气溶胶、惰性气体。

DVC事故取风口放射性浓度的计算，传统的高斯烟羽模式在近距离情况下计算出的大气弥散因子往往偏差较大，为此选用新尾流模式，即采用多元线性回归方法。该方法综合考虑了距离、建筑物、风速、大气稳定度等多种因素的影响。

S3源项的释放时间持续12 h，但主控室内核素浓度降低需要较长的时间，因此这里评价的时间取24 h（计算表明24 h后的剂量贡献可以忽略）。在此期间，主控室内人员的有效剂量为41 mSv，甲状腺当量剂量为203 mSv，即主控室的有效剂量低于HAD002/01及GB18871规定的50 mSv剂量限值，满足严重事故下的主控室可居留性要求。

（2）H1事故工况的应对措施

1）建立模型，由计算机程序评价出H1事故工况时，主控室及仪控设备间的温度上升情况。

温升计算原理及过程如下：

根据能量守恒原理，得出某时刻主控室热平衡计算公式。

求解公式采用连续迭代的方法，计算结果得出主控室随时间变化的实时温度，由数据绘制出曲线。

计算结论为：H1事故工况时，且机组在夏季满功率运行时，到达1E级仪控设备最高允许温度（35 ℃）的最小时长为4.7 h，出现在3DVC2 L509房间；3DVC1为9.5 h，出现在L609房间。也就是说，在发生事故4.7 h内，主控室人员必须将反应堆停堆，并使之退防到安全状态。否则1E级机柜在高温环境下可能的运行不稳定性导致功能的丧失。

2）H1事故工况应对措施

— 对冷源进行多样化设计：增设一台风冷冷冻机组，出于必要性和经济性的考虑，风冷冷冻机组设计为非安全级，水管道与原有水冷机组的管道共用；

— 重要的1E级机柜间增设温度测量信号：重要的1E级机柜间如3DVC系统在L507、L509、L709、L710房间增设温湿度测量仪表，并在主控室设黄色、红色报警。给主控人员一个预报，达到提前防范的目的。

（3）H3事故分析及应对

H3（厂内、厂外电源全部丧失）的事故影响分析过程如H1，不再计算DVC系统由通风机带走的热量；计算房间也只计算由蓄电池带载或由LLS供电的涉及核安全的关键房间，应对措施是根据温升状况给出这些房间DCS设备总发热量的限值，作为DCS供货商的参考数据，从而保证这些由蓄电池带载的DCS设备能够正常工作，执行其将反应堆带到安全状态的功能。

（4）对于参考电厂的固有缺陷

对于参考电厂固有缺陷，优化后的主控室通风空调系统流程如图2所示，对应措施如下：

— 在原有参考电厂的基础上，重新明确主控室应急区域边界；

— 将DVC系统按A、B系列拆分为DVC1、DVC2后，DVC1保留DVC系统的原功能，DVC2为完全独立的新系统；在不改变参考电厂原有工艺管道、电气或仪控机柜、电缆桥架等功能及布置的前提下，为DVC2新增空调设备机房、规划管道布置；

— 将空气处理的主设备分别由1台改为2台；

— 空气处理主设备由混凝土独自小室的布置改为组合式金属箱体安装。

（5）对于毒性气体的防护

首先对核电厂的毒性气体种类进行分析并计算其浓度或质量，包括氢气、氮气、二氧化碳、去氧剂等。通过对有害气体评价得到的结论是，不足以影响到主控室人员的可居留，但出于纵深防御策略，在主控室仍配备自主呼吸装置。具体做法是在主控室操作盘柜下面设置5个SAT（公用压空系统）的快速接头，需要时与自主呼吸装置相接，以应对敌意破坏或超出设计考虑范畴的突发事件。

图2 优化设计后主控室通风空调系统流程图Fig.2 The flow chart of HVAC system in the main control room after optimization

4 结论

本科研成果从确保主控室可居留的设计原则入手，体现了主控室人员呼吸新风供应、辐射防护、正压保证、系统运行可靠性等全方位的创新技术及纵深防御策略的实施，并在应对超设计基准事故、严重事故的技术上有所突破，这使主控室在各种事故条件下的可居留性能力大大提升。科研成果目前已成功地应用于国内已建或在建的二代改进型核电厂，以及ACP系列的三代核电机组，为新型安全的核电厂发展提供了技术保障。

[1] HAD002/01 核动力厂营运单位的应急准备[S].（HAD002/01 Emergency Preparedness for Nuclear Power Plant Operating Units[S].）

[2] HAF102 核动力厂设计安全规定[S].（HAF102 Safety of Nuclear Power Plants: Design[S].）

[3] 10 CFR 50 核电厂及核废料处理厂质保要求[S].（10 CFR 50 QA Requirements for Nuclear Power Plants and Nuclear Waste Treatment Plants[S].）

[4] NRC NUREG-0800 标准审查大纲[S].（NRC NUREG-0800 Standard Review Program[S].）

Optimization of the Main Control Room Habitability System in Nuclear Power Plant

ZHENG Guang-hui，ZHAO Xin-yan
（China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Beijing 100840，China）

This article describes the optimization of main control room habitability system in nuclear power plant. It also describes the design shortage in terms of habitability in the main control room. Through modification and optimization, habitable conditions are met for personnel staying in the emergency area of the main control room for a period of time, with an aim to take accident intervention measures smoothly and reduce the accident loss and radioactive contamination as low as possible.

nuclear power plant；main control room；emergency area；habitability

TL37 Article character: A Article ID: 1674-1617(2013)04-0291-05

TL37

A

1674-1617(2013)04-0291-05

2013-08-22

郑广慧（1971—），女，北京人，高级工程师，学士，从事核电厂暖通空调的设计工作。