应对福岛核事故AP1000丧失外部电源后的动力源简介

沈松

摘 要：由地震海啸引发核电站丧失外部电源是福岛核事故的直接原因，最终导致了反应堆热量无法导出，堆芯损毁。本文介绍了第三代核技术AP1000中运用的非外部电力的动力源，这些动力源在设计上保证了AP1000在丧失外部电源的情况下，仍能完成安全目标，确保反应堆安全可控。

关键词：AP1000；福岛核事故；动力源；自然循环；重力；蓄电池直流电源；阀门驱动力

1 前言

2011年3月11日在日本宫城县东方外海发生了9.0级地震，紧接引起的海啸，袭击了日本福岛第一核电厂，对福岛核电站造成了一系列设备损坏、堆芯融毁、放射性释放等灾害事件，為1986年切尔诺贝利核电厂事故以来最严重的核子事故。

当大地震发生时，福岛核电站因保护动作自动停堆，厂内发电功能立即停止。正常情况下，电厂可以利用厂外电源驱动冷却和控制系统，但地震对电力网造成了大规模破坏，厂外电源丧失，因此只好依靠厂区内的紧急柴油发电机组驱动冷却系统。但是接踵而至的15米大海啸越过了厂区5.7米海堤，淹没了地势较低的柴油发电机组，供给反应堆的交流电源宣告失效，冷却系统因此停止工作，反应堆开始过热，酿成悲剧。

从福岛核事故我们可以看出，丧失一切交流电源是导致反应堆损毁的直接原因。作为第三代核技术AP1000最先进的设计理念就是采用非能动，在不需要交流电的情况下导出反应堆热量，确保堆芯安全、完整。接下来我将着重讲解AP1000丧失一切交流电源时，为保证完成相关的安全功能，使反应堆处于安全可靠的状态所使用的各种动力源。

2 AP1000应对福岛核事故的措施

假设发生了类似福岛核电站丧失交流电源的事故，AP1000机组首先因地震或失电触发安全停堆，4台主泵失电后在惰转飞轮的作用下惰转，增加强迫循环时间，带走堆芯更多的热量。接着非能动余热排出系统（PRHR）投入运行，依靠冷却剂的自然循环，将堆芯中的热量传递给安全壳内换料水箱（IRWST），实现一回路降温。ADS 1、2、3级阀门在直流电源的驱动下依次打开，将一回路冷却剂排入IRWST，实现一回路降压。IRWST中的水受热蒸发，水蒸气遇到钢制安全壳内表面凝结后流回IRWST中，水蒸气的热量通过安全壳外表面流过的空气带走。若仅依靠空气无法带走全部热量，导致安全壳内压力升高，将触发位于安全壳顶部的非能动安全壳冷却水储存箱（PCCWST），水箱中的水依靠重力沿安全壳外表面向下流动，在外壁形成水膜，水膜蒸发将热量排到大气中，作为反应堆的最终热阱，从而达到降低安全壳内部温度压力，导出堆芯热量的目的。

3第三代核技术AP1000中运用的非交流电动力源

AP1000应对福岛核事故的措施中，所有安全系统的运行都不需要依靠交流电源，下面将简介措施应对过程中所使用的其他动力源。

3.1自然循环

AP1000最重要的设计特点就是无需电源的非能动自然循环。

自然循环的驱动力是水的密度差，建立的条件有四点：连贯的流道，温度差，高度差，足以克服的摩擦阻力。冷源出口水的密度比热源出口的大，加上高度差带来的位能差，使冷源出口水向下流动，热源出口水向上流动，形成自然循环。

福岛核事故最大的挑战是丧失交流电导致热量无法导出，最终造成堆芯裸露、损毁。AP1000的非能动余热排出系统（PRHR）设计为仅依靠冷却剂的自然循环，无需交流电源即可实现堆芯热量的导出，确保堆芯冷却、安全。

当发生事故时，保护信号触发PRHR热交换器（PRHR HX）出口气动阀（不依靠交流电作为驱动力）打开，在PRHR热交换器与堆芯之间形成连贯的流道。PRHR热交换器放置在安全壳内换料水箱（IRWST）中，IRWST的温度低，作为冷源，与堆芯形成温度差，同时IRWST的位置高于堆芯，形成高度差，所以一回路冷却剂在密度差的作用下，在PRHR热交换器和反应堆堆芯之间形成自然循环，将堆芯的热量带出，传递给IRWST中的冷水，使其蒸发，并最终通过钢制安全壳将热量导出至环境大气中。

3.2重力

简单的说就是水依靠自身重力，在不需要交流电源的情况下，通过打开水箱的出口阀（可通过蓄电池直流或气动/弹簧作为驱动力），到达预定地点，完成预定功能。

比如位于安全壳顶部的非能动安全壳冷却水储存箱（PCCWST）就是通过水的重力完成核安全功能。当安全壳内压力超过一定值时，表明安全壳内产生了大量蒸汽，聚集的大量热量无法通过空气的自然对流进行冷却。信号触发PCCWST保护动作，打开水箱出口阀门（蓄电池直流供电），水通过重力直接流至安全壳表面形成水膜进行冷却，最终将安全壳内的热量导出，排至大气中。

3.3蓄电池直流电源

面对福岛核事故这样丧失一切交流电的紧急情况，不需要外界支持的蓄电池直流电将发挥重要的动力源作用。AP1000的设计中对蓄电池直流电源分成两部分，即安全相关的1E级直流和UPS系统（IDS）和非安全相关的非1E级直流及UPS系统（EDS）。

IDS向安全停堆的仪表、控制、监测和其它关键功能所需要的设备提供可靠的电源。此外，作为非安全相关功能，IDS通过非1E级电厂照明系统（ELS），给主控室（MCR）和远程停堆工作站（RSW）提供正常和应急照明电源。

比如PCCWST出口阀就是由IDS直流电提供的动力，从而保证丧失交流电时，该出口阀仍能可靠打开，完成PCCWST的安全功能。

EDS为电厂非1E级直流和交流负荷提供直流电和不间断交流电源，对提供电厂运行和投资保护起关键作用，同时为安全壳内氢气点火器提供电源。另外，还有第三个子系统，EDS-5用于提供大电机直流电源，包括应急润滑油泵和应急密封油泵。

3.4阀门驱动力

AP1000电站中阀门类型很多，有气动阀、电动阀、电磁阀、爆破阀等。这样设置的目的是为了增加多样性，避免因相同故障导致全部阀门失效，增加机组的安全性。面对丧失交流电，AP1000安全相关阀门的驱动方案也是多样的。

比如气动阀门，正常情况下，气动阀门内充入压缩空气，用以压缩或拉伸阀门内的弹簧使阀门处于所需位置。当失去交流电时，压缩空气丧失泄压，阀门在弹簧力的作用下变成我们所希望的安全开关状态，完成其安全相关功能。PRHR HX热交换器出口气动阀就是这样的阀门。

因此即使失去外部电源，通过阀门自身的多样性驱动力，操纵员仍能将这些安全相关的阀门置于安全位置，保证安全功能顺利实现。

4总结

通过以上的分析简介，AP1000在丧失交流电源的初始72小时内，不依靠外界动力源，可以实现电站设计的安全功能，保证反应堆冷却，防止堆芯裸露，放射性物质释放。AP1000核电站的非能动设计增强了核电站的安全水平，提高了抵抗自然灾难、各类事故的能力。面对福岛核事故，AP1000核电站是有能力应对，并保证电站安全的，同时通过福岛核事故的例子也告诉我们，地震、海啸等事故仅仅是个开始，因核燃料的特殊性，后续还需要一系列的措施应对极端的自然灾害。 首要做好紧急电源的保护，尽快恢复厂外交流电源和柴油发电机，保证电力供应。72小时后要做好冷却水源的保护和恢复，确保机组有足够的水源持续冷却反应堆。

参考文献：

[1]ILO-SYS-PXS-PP-CH Rev 0

[2]ILO-SYS-PCS-PP-CH-Rev 0endprint