安全壳过滤排放系统容量确定

2021-03-05李丽娟

核科学与工程 2021年1期

李丽娟，周喆，丁亮

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

对于新建核电厂，是否设置安全壳过滤排放系统，一直受到安全监管部门关注，也是业主、设计单位等各方反复研讨的问题。

国内外的法规标准并没有强制要求设置安全壳过滤排放系统。

在传统二代改进型压水堆核电厂，当发生严重事故，通过安全壳过滤排放系统主动卸压使安全壳内压力不超过其承载限值，确保了安全壳的完整性。华龙一号采用双层安全壳、设置有专设安全设施和完善的严重事故预防与缓解措施、具有充分的安全壳自由容积，那么华龙项目是否需要设置安全壳过滤排放系统以及如何确定系统容量，需要进行研究和分析。

1 安全壳过滤排放系统的功能

核电厂安全壳是防止放射性产物释放到环境中的最后一道屏障。在发生严重事故时，安全壳内的压力不断升高，最终可能会破坏安全壳的完整性，造成放射性物质的外泄。

安全壳过滤排放系统通过主动卸压使安全壳内的大气压力不超过其承载限值，从而确保安全壳的完整性。并且，通过本系统中的过滤装置对排放气体中的放射性物质进行过滤，以减少释放到环境中的放射性物质。

2 国内各典型电站或堆型安全壳过滤排放系统的方案

国内典型方案如表1所示。

表1 国内各典型电厂或堆型安全壳过滤排放系统方案Table 1 Containment filtration and exhaust system options of domestic typical NPP or reactor

3 相关设计标准要求

安全壳系统设计相关法规标准主要有：

（1）HAF 102《核动力厂设计安全规定》（2004版）；

（2）HAD102/06《核电厂反应堆安全壳系统的设计》（1990版）；

（3）美国联邦法规10CFR 50附录A；

（4）美国NRC的标准审查大纲（SRP）；

（5）NS-G-1.10《核动力厂反应堆安全壳系统的设计》；

（6）RCC-P《900 MW压水堆核电站系统设计和建造规则》（1991第4版 + 1995修订）。

IAEA安全导则NS-G-1.10《核动力厂反应堆安全壳系统的设计》要求：对新电厂，排放系统不是必需的。如果分析表明现有电厂安全壳超压风险太大，应考虑安装过滤排放系统以防止安全壳不可恢复的损坏及放射性物质不可控制的排放[1]。

HAD102规定：对于已有的核动力厂，如果概率安全分析表明安全壳超压风险太高，应考虑安装安全壳过滤排气系统，以防止对安全壳的永久性损伤和放射性物质失控释放。对于新建核动力厂，能量控制系统应作为抑制事故期间压力载荷的主要手段，以满足结构完整性Ⅱ级验收准则。对于新建核动力厂，排气系统不应该是必要的[2]。

相关标准没有对严重事故时的降压准则提出明确的、具体的要求，规定了设计基准事故安全壳压力要求和验收准则，例如：总体性要求、关于峰值压力的要求、关于降压速率的要求、长期降压的要求等。在NUREG 0800—2007中6.2.1.1 A章的验收准则中对安全壳降压速率要求为：为满足设计总则 38中要迅速降低安全壳压力的要求，安全壳压力应当在假想事故后24 h内降低到低于设计基准失水事故计算的最高压力的50%。

4 方案研究

4.1 是否设置安全壳过滤排放系统

安全壳是防止裂变产物泄漏的第三道屏障，也是最后一道屏障。在核电厂发生超设计基准事故或严重事故过程中，会因各种原因产生高能气体，释放到安全壳空间，在安全壳冷却系统失效的情况下，会导致安全壳内大气升温升压，这会危及安全壳的完整性。设置安全壳过滤排放系统（CFE）是为了消除或缓解这种威胁。

EPR/VVER/AP1000分别通过设置熔融物滞留池、堆芯捕集器、压力容器包容熔融物的手段，以及增加安全壳自由容积等方法，使得安全壳不需过滤排放即可包容事故后质能释放引起的压力升高。

“华龙一号”设置有安注系统、安喷系统等专设安全设施和完善的严重事故预防与缓解措施，例如安全壳消氢系统、堆腔注水冷却系统、非能动安全壳热量导出系统、稳压器快速卸压系统、增大安全壳自由容积、对安全壳进行完整的极限承载能力分析等措施。

在LOCA工况下，安注系统为堆芯提供应急冷却以防止燃料包壳融化并保证堆芯的几何形状和完整性。堆腔注水冷却系统在严重事故工况下，导出堆芯熔融物的热量，通过冷却压力容器下封头带走堆芯热量，确保压力容器不被熔穿。稳压器快速卸压系统用来降低高压堆融的风险。

在LOCA或安全壳内主蒸汽管道破裂时，安喷运行可将安全壳内温度和压力保持在可接受的范围内。非能动安全壳热量导出系统用于超设计基准事故工况下安全壳的长期排热，将安全壳压力和温度降低至可接受的水平。

安全壳消氢系统通过自动复合减少安全壳内的氢气、氧气和一氧化碳气体。

所以，对于“华龙一号”安全壳的早期失效，可以通过安喷、安注等措施来避免；长期失效可通过堆腔注水冷却系统、非能动安全壳热量导出系统等来避免。

考虑“华龙一号”的多重和完善的系统设置，以及更优化的安全壳结构设计，研究“华龙一号”是否需要设置安全壳过滤排放系统（CFE）。

首先进行了事故分析计算。计算时适当考虑利用非能动安全壳热量导出系统（PCS）缓解安全壳超压事故。PCS由3个相互独立的非能动系列组成。从图1中可以看到PCS 2列有效时，压力大约能维持在0.4 MPa；而PCS只有1列有效时，压力会缓慢升高至0.6 MPa左右。

图1 1列PCS有效和2列PCS有效时安全壳压力变化Fig.1 Containment pressure variation with 1 PCS valid and 2 PCS valid

从图1中可以看到，PCS丧失1列时，安全壳内压力不会超过安全壳设计压力，但是PCS 3列全部失效或2列失效时，安全壳内压力将会超过安全壳设计压力。

是否需要设置安全壳过滤排放系统，还需要进行安全壳超压失效概率分析。根据“华龙一号”内部事件二级PSA分析，导致大量放射性释放的频率（LRF）为 1.91 × 10-8/堆·年，过滤排放失效情况下安全壳晚期超压释放的风险为1.98 × 10-11/堆·年（占大量释放的总风险的 0.1%），安全壳过滤排放有效但压力容器失效所造成的大量释放的风险为 4.91 × 10-10/堆·年（占大量释放的总风险的2.57%）。对于“华龙一号”核电厂，如果取消安全壳过滤排放系统后，总的安全壳晚期超压大量放射性释放风险为7.63 × 10-9/堆·年，相比有该系统时增加了 7.12 × 10-9/堆·年。

根据以上分析，确定设置安全壳过滤排放系统。

4.2 安全壳过滤排放系统方案

常用的安全壳过滤方式有干式和湿式两种（见表2）。

表2 安全壳过滤方式Table 2 Containment filtration approach

湿式过滤在 M310机组已广泛应用，并较干式过滤的效果有明显提高。

国内M310机组主要使用的是AREVA的产品，包括文丘里水洗器和金属纤维过滤器。文丘里水洗器是卧式圆筒形压力容器，容器内装有一组文丘里喷管，并且容器内装有重量浓度为 0.5%的 NaOH和 0.2%的 Na2S2O3的化学溶液。试验证明，文丘里水洗器对气溶胶的过滤效率大于 99%，对碘分子的过滤效率大于99.5%，对有机碘的过滤效率为80%。金属纤维过滤器也是卧式圆筒形压力容器。容器内的金属纤维过滤器由具有液滴分离作用的预过滤层和精细过滤层两部分组成。它们主要用于过滤文丘里水洗器未能滞留的微小粒径气溶胶，以及一些由于化学溶液表面气泡破裂而产生的极小粒径的气溶胶；特别是对于粒径小于 1微米的气溶胶，金属纤维过滤器具有很高的滞留效率。文丘里水洗器和金属纤维过滤器构成了对排放气体的两级过滤。通过这两级过滤，最终的过滤效果可以达到如下数值：

（1）对气溶胶的过滤效率大于99.9%；

（2）对碘分子的过滤效率大于99.5%；

（3）对有机碘的过滤效率为80%。

通过干式和湿式过滤方案的比选，结合方案的成熟度，安全壳过滤排放系统选择采用湿式过滤排放方案。

5 安全壳过滤排放系统容量确定

5.1 安全壳过滤排放系统容量分析

系统容量是确定工艺系统的首要参数，用于确定系统规格、设备选型等。为了确定合理的系统容量，进行了全面、详细的分析计算。

（1） PCS不可用

1）保证严重事故下 CFE系统能够在开启后24 h内将安全壳内的压力降到0.26 MPa以下（见表3、表4）。

表3 充水工况，CFE打开时安全壳大气条件Table 3 Water filling condition, atmospheric condition of containment when CFE is opened

表4 非充水工况，CFE打开时安全壳大气条件Table 4 Non-water filling condition, atmospheric condition of containment when CFE is opened

在此计算假设下，充水工况比较保守，系统排量为9.7 kg/s（0.52 MPa）。

2）不需保证严重事故下CFE系统能够在开启后24 h内将安全壳内的压力降到设计压力一半以下，只考虑事故后24 h开启，排放12 h关闭至再次开启，排量为4 kg/s（0.52 MPa）。

从图2可知，从第1次开启（24 h）至第1次关闭（36 h）大约排放了 12 h，再打开时间为49.4 h，间隔13.6 h。

图2 PCS失效时CFE运行12 h的压力变化Fig.2 Containment pressure variation during CFE 12 h operation with PCS invalid

由此结果可以看到，用4 kg/s（0.52 MPa）的排量排放，在排放12 h左右，此时可能出现水洗容器的低液位报警，需要将CFE系统关闭充水，此时压力虽然未降至安全壳设计压力的一半，但已降至设计压力 90%以下。并且需要再次开启的时间间隔约14 h左右，足以完成补水操作。

3）事故后24 h开启（0.583 MPa），安全壳内压力降至设计压力一半（0.31 MPa）关闭（见表 5）。

表5 PCS不可用时不同设计流量下的CFE运行情况（关闭压力0.31 MPa）Table 5 CFE operation under different design flows when PCS is not available (shutdown pressure 0.31 MPa)

可以看到，只有第 1行的排量能够使安全壳压力在24 h之内降至设计压力一半。

（2） 1列PCS可用

1）事故后24 h开启（0.583 MPa），安全壳内压力降至设计压力一半（0.31 MPa）关闭（见表 6）。

表6 1列PCS可用不同设计流量下CFE运行情况Table 6 CFE operation under different design flows with 1 column of PCS available

可以看到，只有最后1行的排量能够使安全壳压力在24 h之内降至设计压力一半（0.31 MPa）。

2）不需保证严重事故下 CFE系统能够在开启后24 h内将安全壳内的压力降到设计压力一半以下，只考虑事故后24 h开启，排放12 h关闭至再次开启。用4 kg/s（0.52 MPa）的排量排放。

从图3可知，从第1次开启（24 h）至第1次关闭（36.7 h）大约排放了12 h，再打开时间为 77.2 h（考虑 72 h时失去 PCS冷却），间隔约30 h。在排放12 h左右，此时可能出现水洗容器的低液位报警，需要将CFE系统关闭充水，此时压力 0.39 MPa，虽然未降至安全壳设计压力的一半（0.31 MPa），但已降至设计压力90%以下。并且需要再次开启的时间间隔 30 h，足以完成补水操作。

图3 1列PCS可用时CFE运行12 h的压力变化Fig.3 Containment pressure variation during CFE 12 h operation with 1 PCS valid

经计算，9.7 kg/s（0.52 MPa）的排量排放时最大衰变热功率是 135.44 kW；4 kg/s（0.52 MPa）的排量排放时最大衰变热功率是98 kW。

5.2 安全壳过滤排放系统容量分析

从 5.1节的计算结果看到，如果遵循设计基准事故降压速率的要求，PCS一列可用时排量至少为 5.27 kg/s，PCS完全不可用时排量至少需要7.2 kg/s。

不管是 PCS一列可用还是 PCS完全不可用，用4 kg/s（0.52 MPa）的排量排放，在排放12 h左右时，可能出现水洗容器的低液位报警，需要将CFE系统关闭充水，此时压力虽然未降至安全壳设计压力的一半（0.31 MPa），但已降至设计压力 90%以下。并且需要再次开启的时间间隔足以完成补水操作。

严重事故后降压速率，在相关法规标准中没有明确的要求，所以，综合压力控制能力，确定安全壳过滤排放系统的排量为 4 kg/s（0.52 MPa）。对应的最大衰变热功率按100 kW设计。