劉 剛 王 豐 詹陽烈 謝永誠

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233）

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)抗震試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則研究

劉 剛 王 豐 詹陽烈 謝永誠

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233）

對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在地震工況下的落棒性能要求，國內(nèi)未形成清楚的認(rèn)識(shí)，而AP1000 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)抗震試驗(yàn)需要給出相應(yīng)的驗(yàn)收準(zhǔn)則。本文對(duì)國內(nèi)相關(guān)法規(guī)和AP1000控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行安全功能的具體要求進(jìn)行了研究，結(jié)合國內(nèi)外已開展的同類試驗(yàn)的結(jié)果分析，提出AP1000控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)抗震試驗(yàn)的驗(yàn)收準(zhǔn)則應(yīng)與AP1000安全分析報(bào)告中對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的安全功能要求一致。室溫?zé)o流量下控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)抗震試驗(yàn)的驗(yàn)收準(zhǔn)則應(yīng)為地震前與后的落棒時(shí)間不超過安全分析報(bào)告中確定的限值。

AP1000，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，抗震試驗(yàn)，驗(yàn)收準(zhǔn)則

商用壓水堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Control Rod Drive Mechanism, CRDM)是一種電磁驅(qū)動(dòng)的機(jī)械裝置?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是在垂直方向定位控制棒組件(Control Rod Assembly, CRA)。通過控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)改變或保持控制棒組件在堆芯中垂直方向的高度，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的啟停，并在反應(yīng)堆正常運(yùn)行中調(diào)節(jié)或維持堆芯的功率水平以及在事故工況下響應(yīng)指令快速落棒實(shí)現(xiàn)停堆。

AP1000反應(yīng)堆所用的L-106AP型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由美國西屋公司設(shè)計(jì)。西屋公司表示該型號(hào)的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是基于經(jīng)驗(yàn)證過的已廣泛應(yīng)用于西屋設(shè)計(jì)的壓水堆核電廠的L-106A型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，只是作了局部的改進(jìn)，應(yīng)屬于成熟設(shè)計(jì)。

國家核安全局(National Nuclear Safety Administration, NNSA)在頒發(fā)AP1000依托項(xiàng)目“三門核電廠一期工程1、2號(hào)機(jī)組建造許可證”[國核安證字第0902號(hào)]中，要求三門核電有限公司“在NNSA頒發(fā)建造許可證后半年內(nèi)，進(jìn)一步論證控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(CRDM)安全分級(jí)和抗震分類的合理性，并說明其應(yīng)有的安全功能是如何得到滿足的”。在頒發(fā)“海陽核電廠一期工程1、2號(hào)機(jī)組建造許可證”[國核安證字第0906號(hào)]第九(一)條中要求山東核電有限公司在NNSA頒發(fā)建造許可證后1年內(nèi)“按照控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)需是安全級(jí)、抗震I類的要求，提供控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)報(bào)告”。

針對(duì)該型號(hào)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的安全分級(jí)和抗震要求，西屋表示滿足美國核管制委員會(huì)(Nuclear Regulatory Commission, NRC)的設(shè)計(jì)認(rèn)證，無需開展進(jìn)一步的抗震驗(yàn)證。

由于西屋提交給業(yè)主關(guān)閉建造許可證條件的支持性材料，主要是其中涉及控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的抗震驗(yàn)證部分，西屋僅提供了日本三菱公司反應(yīng)堆本體抗震試驗(yàn)公開發(fā)表的論文來加以論證，但卻無法提供詳細(xì)的試驗(yàn)報(bào)告，不足于信服地證明該型號(hào)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能滿足規(guī)范要求的抗震要求，為此，兩家業(yè)主委托上海核工程研究設(shè)計(jì)院開展該型號(hào)的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的抗震驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求

目前國內(nèi)針對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的分級(jí)和抗震要求主要依據(jù)的國內(nèi)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1) HAF 102-2004 核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定；

(2) HAD102/03-1986，用于沸水堆、壓水堆和壓力管式反應(yīng)堆的安全功能和部件分級(jí)；

(3) HAF?J0066-1997，壓水堆核電廠物項(xiàng)分級(jí)的技術(shù)見解；

(4) GB/T 17569-1998，壓水堆核電廠物項(xiàng)分級(jí)；

(5) HAF?J0053-1995，核設(shè)備抗震鑒定試驗(yàn)指南；

(6) HAD102/02-1996，核電廠的抗震設(shè)計(jì)與鑒定。

HAF 102 第4.2.2條[1]“為了保證安全，在各種運(yùn)行狀態(tài)下、在發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故期間和之后，以及盡實(shí)際可能在發(fā)生所選定的超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的事故工況下，都必須執(zhí)行下列基本安全功能：(1) 控制反應(yīng)性；(2) 排出堆芯熱量；(3) 包容放射性物質(zhì)和控制運(yùn)行排放，以及限制事故釋放?！?/p>

HAD102/02-1996和HAF?J0053要求核電廠中所有抗震Ⅰ類設(shè)備均應(yīng)進(jìn)行抗震鑒定。這些抗震Ⅰ類設(shè)備應(yīng)能承受SL-1和SL-2載荷，并保證在地震發(fā)生時(shí)或(和)地震后均能履行其安全功能。HAD102/02[2]在4章節(jié)對(duì)抗震鑒定的方法給出了明確說明，即“安全重要物項(xiàng)的抗震鑒定可采用直接法或間接法。直接法可利用下列方法中的一種或幾種來進(jìn)行：分析、試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)或類比，也可采用這些方法的綜合”。而對(duì)試驗(yàn)鑒定的要求(HAD102/02第4.3.21節(jié))是“對(duì)于能動(dòng)物項(xiàng)，作為試驗(yàn)程序的一部分，一般有必要預(yù)先規(guī)定功能要求，多數(shù)能動(dòng)物項(xiàng)要求在地震激振過后履行其能動(dòng)功能。但是，如果要求它們?cè)诘卣鸺ふ襁^程中或可能的余震過程中履行能動(dòng)功能，則必須在規(guī)定功能試驗(yàn)要求時(shí)考慮這一要求。還必須注意到功能性試驗(yàn)與使用時(shí)所要求的安全功能是一致的”。

2 國內(nèi)、外控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)抗震試驗(yàn)實(shí)踐情況

從目前國內(nèi)自主設(shè)計(jì)的商用核電站(秦山一期300 MW、秦山二期600 MW、實(shí)驗(yàn)快堆)的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均依據(jù)對(duì)國內(nèi)法規(guī)有關(guān)設(shè)備分級(jí)及抗震要求的理解進(jìn)行控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)或整個(gè)驅(qū)動(dòng)線的抗震驗(yàn)證試驗(yàn)。

秦山一期限于當(dāng)時(shí)的國內(nèi)實(shí)際情況，上海核工程研究設(shè)計(jì)院與中國水利水電科學(xué)院合作利用中國水利水電科學(xué)院的震動(dòng)臺(tái)完成CRDM地震作用時(shí)和作用后的可運(yùn)行性驗(yàn)證性試驗(yàn)?？拐鹪囼?yàn)裝置示意圖見圖1。試驗(yàn)結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在安全停堆地震(Safe Shutdown Earthquake, SSE)期間落棒時(shí)間與地震前后落棒時(shí)間相比增加了10%，滿足安全分析報(bào)告中限值并留有裕量。

中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院利用其多點(diǎn)激振臺(tái)架進(jìn)行了秦山二期600 MW堆的驅(qū)動(dòng)線、中國實(shí)驗(yàn)快堆控制棒驅(qū)動(dòng)線和中國先進(jìn)研究堆控制棒驅(qū)動(dòng)線抗震驗(yàn)證試驗(yàn)。中國實(shí)驗(yàn)快堆控制棒驅(qū)動(dòng)線抗震試驗(yàn)裝置圖見圖2。這些試驗(yàn)結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)線在SSE地震期間落棒時(shí)間均滿足安全分析報(bào)告中規(guī)定的限值要求。

圖1 秦山一期CRDM抗震試驗(yàn)裝置圖Fig.1 CRDM seismic test unit for Qinshan phase 1.

圖2 中國實(shí)驗(yàn)快堆控制棒驅(qū)動(dòng)線抗震試驗(yàn)裝置圖Fig.2 CRDS seismic test unit for China experimental fast reactor.

在國際上，美國、法國、日本、意大利等國均開展過類似的控制棒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(Control Rod Drive System (CRDS))的抗震試驗(yàn)驗(yàn)證。法國Supper Phoenix CRDS抗震試驗(yàn)裝置示意圖見圖3。意大利快中子堆CRDS抗震試驗(yàn)裝置示意圖見圖4。

日本三菱公司于1985年開展了反應(yīng)堆本體抗震試驗(yàn)，該試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)于反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件的堆芯部分是全比例模型。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶?5組燃料組件，2個(gè)控制棒束，2個(gè)導(dǎo)向筒，2個(gè)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，堆芯支承結(jié)構(gòu)(包括下部堆芯支承結(jié)構(gòu)和上部堆芯支承結(jié)構(gòu))，壓力容器(部分)和上部結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)裝置示意圖見圖5。在該試驗(yàn)中，進(jìn)行了在1.5倍SSE地震工況下的落棒測(cè)試，數(shù)據(jù)表明在地震期間落棒時(shí)間增加量也在安全分析報(bào)告的限值內(nèi)。

圖3 法國Supper Phoenix CRDS抗震試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 CRDS seismic test unit for France Supper Phoenix.

圖4 意大利快中子堆CRDS抗震試驗(yàn)裝置示意圖Fig.4 CRDS seismic test unit for Italy fast neutron reactor.

3 AP1000抗震試驗(yàn)的驗(yàn)收準(zhǔn)則

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為反應(yīng)堆反應(yīng)性控制手段之一，其執(zhí)行的安全功能是承壓邊界的完整性和安全落棒。在國內(nèi)外與事故分析相關(guān)的法規(guī)、導(dǎo)則和標(biāo)準(zhǔn)中，沒有明確要求事故分析中的落棒時(shí)間疊加考慮地震影響，美國NRC也沒有此項(xiàng)要求，除非該項(xiàng)要求被列入核電廠執(zhí)照申請(qǐng)的基礎(chǔ)之中。

作為AP1000依托項(xiàng)目設(shè)計(jì)方西屋公司認(rèn)為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故(Design Basis Accident, DBA)疊加地震的發(fā)生概率極低，在風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)向的事故分析中不需要考慮地震對(duì)控制棒落棒時(shí)間的影響。目前國內(nèi)外的核電站的電站設(shè)計(jì)中均設(shè)置有地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但該系統(tǒng)并沒有與安全停堆系統(tǒng)直接聯(lián)鎖，即在發(fā)生超過運(yùn)行基準(zhǔn)地震(Operating Basis Earthquake, OBE)時(shí)，不會(huì)自動(dòng)觸發(fā)停堆，而需要電站操作人員根據(jù)電站的實(shí)際運(yùn)行情況作出是否需要停堆的判斷，然后按操作規(guī)程進(jìn)行停堆前的設(shè)備狀態(tài)檢查，在確定停堆設(shè)備可用的情況下執(zhí)行手動(dòng)停堆，或者反應(yīng)堆某些運(yùn)行參數(shù)達(dá)到了安全閾值而觸發(fā)安全停堆信號(hào)而執(zhí)行安全停堆。在AP1000的設(shè)計(jì)中已取消了OBE，而SSE屬于D類事件，已無落棒時(shí)間的要求。

基于美國NRC沒有強(qiáng)制法規(guī)要求，所以美國西屋公司在AP1000依托項(xiàng)目核電廠事故分析所采用的控制棒落棒時(shí)間沒有考慮地震載荷帶來的不利影響。而在很多以往國內(nèi)的壓水反應(yīng)堆(Pressurized Water Reactor, PWR)核電廠事故分析中，均按國家核安全局的要求，保守地考慮了安全停堆地震對(duì)控制棒落棒時(shí)間帶來的不利影響，所以又單獨(dú)地進(jìn)行了SSE地震工況下的安全分析，給出了在SSE地震工況下的落棒時(shí)間的限值。

AP1000控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范中明確了其設(shè)計(jì)成能承受地震的影響而保持其安全功能的能力。AP1000控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中承壓部件屬于安全1級(jí)部件和抗震Ⅰ類，作為一回路冷卻劑壓力邊界的一部分，其設(shè)計(jì)和制造按照ASME B&PV NB (American Society of Mechanical Engineers, Boiler & Pressure Vessel Code-Subsection NB)1級(jí)部件的規(guī)范要求執(zhí)行，其結(jié)構(gòu)完整性貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)壽期，包括了SSE地震工況。鉤爪部件由于需要在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件下執(zhí)行落棒停堆功能，屬于安全3級(jí)部件，抗震Ⅰ類。由于AP1000電站抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則明確由于DBA與SSE地震同時(shí)發(fā)生的概率極低，故不考慮DBA與SSE地震疊加，且SSE地震本身不要求反應(yīng)堆引入負(fù)反應(yīng)性，所以不要求在SSE地震時(shí)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行安全落棒的功能，而要求在地震后如發(fā)生DBA事件時(shí)仍保持執(zhí)行落棒的安全功能。

基于上述原因，認(rèn)為AP1000控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在進(jìn)行抗震試驗(yàn)前明確的抗震試驗(yàn)的驗(yàn)收準(zhǔn)則應(yīng)是AP1000控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能承受地震的影響，即其結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受SSE地震引起的載荷，其結(jié)構(gòu)因地震載荷造成的永久變形不能影響到地震后的安全落棒功能的執(zhí)行，即在SSE地震后若發(fā)生DBA事件時(shí)能快速落棒，并且其落棒時(shí)間不應(yīng)超出安全分析報(bào)告中給出的限值。因此，在開展后續(xù)的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的抗震試驗(yàn)時(shí)，針對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)備本身而言，抗震試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則應(yīng)為在SSE地震前與后其釋棒延時(shí)時(shí)間應(yīng)滿足小于150 ms的規(guī)定。針對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)線，其驗(yàn)收準(zhǔn)則應(yīng)確定為在SSE地震前與后落棒時(shí)間不應(yīng)超過安全分析報(bào)告中給出控制棒驅(qū)動(dòng)線落棒時(shí)間限值2.7 s。

1 《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定HAF 102》[S]. 國家核安全局, 2004 HAF102 Safety code for nuclear power plant design[S]. National Nuclear Safety Administration, 2004

2 《核電廠的抗震設(shè)計(jì)與鑒定 HAD102/02》[S]. 國家核安全局, 1996 HAD102/02 Seismic Design and Verification of Nuclear Power Plants[S]. National Nuclear Safety Administration,1996

Research on control rod drive mechanism seismic test acceptance criteria

LIU Gang WANG Feng ZHANG Yanglie XIE Yongcheng
(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200233, China)

Background: There is no clear requirement on the rod drop performance of Control Rod Drive Mechanism(CRDM) in seismic condition. Purpose: Acceptance criteria of AP1000 CRDM seismic test need to be determined. Methods: Related regulations and the safety function of AP1000 CRDM are investigated, as well as the conclusions drawn from the CRDM seismic tests worldwide. Results: Acceptance criteria of this test should be in accordance with the limit is in AP1000 Nuclear Plant Safety Analysis Report. Conclusions: Drop time of control rods in AP1000 CRDM seismic test at the room temperature without flow is 2.7 s before and after Safe Shutdown Earthquake (SSE).

AP1000, CRDM, Seismic test, Acceptance criteria

TL375

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040607

劉剛，男，1968年出生，1990年畢業(yè)于上海工程技術(shù)大學(xué)，從事反應(yīng)堆本體設(shè)計(jì)

2012-10-31，

2013-03-07

CLC TL375