唐曉明，劉曉爽，呂興兵，唐卷科，祝 赫

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518045)

內(nèi)部水淹是核電廠常見的內(nèi)部災(zāi)害之一，內(nèi)部水淹的浸沒效應(yīng)會(huì)使核安全相關(guān)設(shè)備失效，進(jìn)而無(wú)法執(zhí)行其安全功能。1972年6月，Quad Cities Unit 1號(hào)機(jī)組發(fā)生循環(huán)水系統(tǒng)管道斷裂，引發(fā)了包含大量不同系統(tǒng)泵的房間的水淹。受影響的設(shè)備包括用于余熱導(dǎo)出的廠用水泵、兩個(gè)柴油發(fā)電機(jī)冷卻水泵、地坑泵和一些壓力表等。盡管反應(yīng)堆未受損壞，但這次水淹造成多種部件和系統(tǒng)失效，對(duì)核電廠安全產(chǎn)生了威脅。隨后對(duì) Quad Cities Unit進(jìn)行了修改，強(qiáng)化了安全相關(guān)泵的實(shí)體隔離，從而避免發(fā)生類似事件。大亞灣核電廠也曾發(fā)生過(guò)由于消防誤噴淋導(dǎo)致的水淹。因此，HAF102《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》[1]要求核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)必須考慮發(fā)生諸如以下內(nèi)部災(zāi)害的可能性：內(nèi)部水淹、飛射物、管道甩動(dòng)、噴射流沖擊或破損系統(tǒng)或現(xiàn)場(chǎng)其他設(shè)施中的流體釋放。對(duì)這些事件必須提供適當(dāng)?shù)念A(yù)防和緩解措施，以保證核安全不受到損害。

內(nèi)部水淹確定論安全評(píng)價(jià)是從安全功能的角度定性分析內(nèi)部水淹對(duì)機(jī)組核安全的影響。通過(guò)研究設(shè)備因內(nèi)部水淹失效后對(duì)核電廠安全功能造成的威脅，評(píng)價(jià)在已有的布置和防護(hù)措施下，內(nèi)部水淹是否會(huì)對(duì)核電廠安全功能造成影響。本文旨在探索和提出內(nèi)部水淹分區(qū)安全評(píng)價(jià)的設(shè)計(jì)假設(shè)、方法和步驟，此方法可應(yīng)用于各類核電廠的內(nèi)部水淹確定論安全評(píng)價(jià)。

1 核電廠內(nèi)部水淹確定論安全評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

內(nèi)部水淹確定論安全評(píng)價(jià)保守假定水淹分區(qū)內(nèi)一旦發(fā)生水淹，分區(qū)內(nèi)所有設(shè)備功能完全喪失。

1) 內(nèi)部水淹引起的任何始發(fā)事件不得導(dǎo)致用于保證下列各項(xiàng)所需的功能喪失[2]：(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)行釋放以及限制事故釋放；(4) 乏燃料水池的冷卻及反應(yīng)性控制；(5) 主控室可居留性；(6) 接近或就地啟動(dòng)為達(dá)到或維持第1、2、3或4項(xiàng)要求所需設(shè)備。

2) 內(nèi)部水淹考慮發(fā)生在正常運(yùn)行工況下(內(nèi)部水淹發(fā)生工況與機(jī)型、核電廠總體要求有關(guān)，不同機(jī)型的內(nèi)部水淹發(fā)生工況不同。內(nèi)部水淹安全評(píng)價(jià)具體采用何種工況需根據(jù)機(jī)型具體選擇)[3-4]。

3) 獨(dú)立的內(nèi)部水淹不考慮與其他獨(dú)立的內(nèi)、外部災(zāi)害或其他假設(shè)始發(fā)事件同時(shí)發(fā)生。

4) 在同一廠址內(nèi)，不考慮在同一或不同機(jī)組廠房?jī)?nèi)同時(shí)發(fā)生多起獨(dú)立的內(nèi)部水淹事件。

5) 考慮地震可能引起非抗震部件同時(shí)失效，須證明這些水源的組合不能導(dǎo)致不可接受的影響[2]。

6) 若內(nèi)部水淹不可避免作為其他內(nèi)部災(zāi)害的二次效應(yīng)時(shí)，則應(yīng)設(shè)計(jì)有防護(hù)措施以應(yīng)對(duì)這種組合效應(yīng)[2]。

7) 即使與防淹設(shè)備電源相連的非安全重要電氣負(fù)荷受到內(nèi)部水淹始發(fā)事件的影響，防淹設(shè)備電源也應(yīng)是有效的[2]。

2 核電廠內(nèi)部水淹確定論安全評(píng)價(jià)方法

核電廠內(nèi)部水淹確定論安全評(píng)價(jià)流程如圖1所示，包括以下主要步驟：1) 識(shí)別水淹安全評(píng)價(jià)區(qū)域；2) 識(shí)別區(qū)域內(nèi)可能的水淹源；3) 識(shí)別需要防護(hù)的設(shè)備；4) 選擇機(jī)組運(yùn)行工況；5) 判斷此狀態(tài)下設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和失效形式；6) 評(píng)價(jià)設(shè)備失效對(duì)安全功能的影響。

2.1 選取分析區(qū)域

核電廠有水淹分區(qū)的概念，其目的是通過(guò)非能動(dòng)的措施，諸如土建、布置設(shè)計(jì)將安全相關(guān)冗余設(shè)備分隔布置，對(duì)這一區(qū)域的邊界提出要求，將水淹限定在這一區(qū)域內(nèi)，防止水淹向其余分區(qū)漫延，減少水淹影響的范圍，降低共模失效的風(fēng)險(xiǎn)。

核電廠水淹分區(qū)的劃分基于確定論的方法，凡是包含執(zhí)行安全功能設(shè)備的核島廠房及安全級(jí)或按照安全級(jí)要求設(shè)計(jì)的電站配套子項(xiàng)均應(yīng)包括在水淹分區(qū)內(nèi)。

因此內(nèi)部水淹安全評(píng)價(jià)的區(qū)域一般應(yīng)為水淹分區(qū)，核電廠所有的水淹分區(qū)都應(yīng)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。如果內(nèi)部水淹分區(qū)邊界被破壞，則需考慮內(nèi)部水淹漫延路徑上的所有房間。

2.2 識(shí)別內(nèi)部水淹源

電廠設(shè)計(jì)必須能承受假想管道破損、部件失效(例如泵的機(jī)械密封失效)、噴淋系統(tǒng)(消防及安全殼噴淋系統(tǒng))觸發(fā)等引起的內(nèi)部淹沒。對(duì)于內(nèi)部水淹，不必考慮雨水、河流或湖泊的洪水或暴雨等自然現(xiàn)象引起的淹沒效應(yīng)。

圖1 核電廠內(nèi)部水淹確定論安全評(píng)價(jià)流程圖

根據(jù)對(duì)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的研究、百萬(wàn)kW級(jí)核電廠工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)EPR、AP1000的消化吸收，可發(fā)現(xiàn)雖然各堆型水淹分析中考慮的水淹源類型根據(jù)機(jī)型的不同描述略有不同，但是歸納起來(lái)水淹源的分類基本相同，主要包括以下幾項(xiàng)：1) 承壓部件的泄漏和破裂；2) 來(lái)自相鄰廠房的水導(dǎo)致的水淹；3) 消防系統(tǒng)動(dòng)作(包括誤動(dòng)作)；4) 水箱滿溢；5)設(shè)備隔離失效的后果；6) 安全殼噴淋。具體分析時(shí)可根據(jù)堆型略有調(diào)整。

在確定分區(qū)內(nèi)部水淹的流體總量時(shí)，必須考慮能引起淹沒并形成二次水淹源的始發(fā)事件。

公稱直徑小于或等于25 mm的管道不視為水淹源[3]。

以上這些水淹源種類可將確定論分析中核電廠內(nèi)部水淹源項(xiàng)完全覆蓋，保證水淹分析時(shí)水淹源的完整性，不會(huì)產(chǎn)生遺漏。

2.3 識(shí)別被防護(hù)設(shè)備

用于保證第1章第1條準(zhǔn)則中所列功能的設(shè)備均需進(jìn)行防護(hù)。每一需防護(hù)的基本安全功能均涉及眾多系統(tǒng)和設(shè)備，但僅對(duì)其中一部分系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行防護(hù)，這是考慮到另外一些系統(tǒng)的部件在遭受水淹時(shí)仍保持其功能(管道、電纜等)。

2.4 功能分析

功能分析采用確定論的分析方法，以水淹分區(qū)為單位，在分區(qū)內(nèi)一旦發(fā)生內(nèi)部水淹，該分區(qū)內(nèi)所有設(shè)備喪失其功能的前提下，分析這種情況是否會(huì)影響第1章第1條準(zhǔn)則中提到的核電廠安全目標(biāo)。如果內(nèi)部水淹分區(qū)邊界被破壞，則需考慮內(nèi)部水淹漫延路徑上的所有房間。

功能分析主要通過(guò)以下幾個(gè)步驟完成：

1) 選擇機(jī)組運(yùn)行工況。由于需防護(hù)的設(shè)備在不同機(jī)組運(yùn)行工況下運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行方式可能都不同，因此應(yīng)首先確定需功能分析的機(jī)組運(yùn)行工況。

2) 選擇分析設(shè)備。根據(jù)2.3節(jié)的原則分析后會(huì)形成1份水淹分區(qū)內(nèi)需防護(hù)的設(shè)備清單，從中選擇某一設(shè)備進(jìn)行分析。

3) 確定設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。泵、閥門等設(shè)備在機(jī)組運(yùn)行期間可能處于不同的運(yùn)行狀態(tài)。例如，泵和電加熱器可能是在運(yùn)也可能是停運(yùn)；閥門狀態(tài)可以是全開、全關(guān)或處于中間某個(gè)開度。如正常情況下，安全殼噴淋系統(tǒng)的泵是停運(yùn)的，此時(shí)泵所在房間發(fā)生內(nèi)部水淹不會(huì)對(duì)安全功能造成影響。故需確定在選定的分析工況下設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如果運(yùn)行則需根據(jù)設(shè)備的失效形式判斷設(shè)備對(duì)安全功能的影響；如果不運(yùn)行則分析內(nèi)部水淹情況下是否需要其投入。

4) 判斷設(shè)備失效形式。設(shè)備失效形式列于表1，根據(jù)表1可判斷設(shè)備水淹后的響應(yīng)。例如氣動(dòng)閥水淹后果等同于失電后果，即保持在安全位置。

5) 判斷設(shè)備失效對(duì)安全功能的影響。根據(jù)設(shè)備的功能以及水淹后的失效形式，即可由設(shè)備對(duì)該安全系列的重要程度判斷系統(tǒng)失效是否會(huì)使該安全系列的運(yùn)行受到影響。最終形成分析區(qū)域內(nèi)喪失的影響機(jī)組安全功能的設(shè)備清單?？蛇M(jìn)行下一分區(qū)的水淹功能分析。

表1 設(shè)備淹沒后的失效形式

3 內(nèi)部水淹確定論安全評(píng)價(jià)應(yīng)用

為了驗(yàn)證以上方法的合理性，本文以某百萬(wàn)kW級(jí)核電廠核輔助廠房硼酸輸送泵間(NA213)以及燃料廠房反應(yīng)堆和乏燃料水池冷卻和處理系統(tǒng)(PTR)泵間(K216)為例，給出內(nèi)部水淹確定論安全評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用實(shí)例。

根據(jù)具體機(jī)型的不同，內(nèi)部水淹安全評(píng)價(jià)選擇的工況也不同。對(duì)于某百萬(wàn)kW級(jí)核電廠，內(nèi)部水淹考慮發(fā)生在正常運(yùn)行以及3類/4類事故發(fā)生24 h后。

3.1 NA213所在水淹分區(qū)安全評(píng)價(jià)

1) 房間的內(nèi)部水淹源

硼酸輸送泵間為單獨(dú)一個(gè)分析區(qū)域。分析區(qū)域內(nèi)的內(nèi)部水淹源主要由化學(xué)和容積控制系統(tǒng)(RCV)、廢液處理系統(tǒng)(TEU)、反應(yīng)堆硼和水補(bǔ)給系統(tǒng)(REA)、安全注入系統(tǒng)(RIS)、核島除鹽水分配系統(tǒng)(SED)的管道和REA化學(xué)藥品混合罐(REA006BA)組成。由于REA006BA用于配置聯(lián)氨溶液和氫氧化鋰溶液，僅在機(jī)組啟動(dòng)和停堆時(shí)使用，正常運(yùn)行時(shí)無(wú)液體貯存，故此水淹源被排除。分區(qū)內(nèi)考慮的水淹源為TEU、REA、RCV、RIS、SED的管道。

根據(jù)2.2節(jié)給出的水淹源識(shí)別原則以及第1章的設(shè)計(jì)假設(shè)可知，NA213水淹分區(qū)主要存在正常運(yùn)行時(shí)以及事故后的水淹源。

2) 房間內(nèi)需防護(hù)的設(shè)備

根據(jù)2.3節(jié)描述的需防護(hù)的設(shè)備特征，結(jié)合NA213水淹分區(qū)內(nèi)的設(shè)備可分析出NA213水淹分區(qū)內(nèi)需防護(hù)的重要設(shè)備為硼酸輸送泵REA003PO、REA004PO。

3) 分區(qū)功能分析

結(jié)合內(nèi)部水淹源考慮的電廠運(yùn)行狀態(tài)和需防護(hù)的設(shè)備，對(duì)NA213水淹分區(qū)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。

(1) 正常運(yùn)行

正常運(yùn)行時(shí)，考慮分區(qū)內(nèi)發(fā)生內(nèi)部水淹事件，即TEU、REA、RCV、RIS、SED的管道破裂或能動(dòng)部件如REA泵、閥等泄漏。此時(shí)REA003PO、REA004PO通過(guò)向RCV注入硼酸調(diào)節(jié)主回路的硼濃度，以達(dá)到控制反應(yīng)堆反應(yīng)性的目的。

一旦NA213水淹分區(qū)內(nèi)發(fā)生水淹，則REA003PO、REA004PO功能喪失。在REA泵不可用的情況下，可使用RCV上充泵直接從PTR的換料水箱抽取硼酸溶液進(jìn)行注硼，執(zhí)行此功能的管道和設(shè)備沒有布置在NA213房間內(nèi)，不受NA213發(fā)生的內(nèi)部水淹的影響，由于不考慮同時(shí)發(fā)生兩起獨(dú)立的內(nèi)部水淹，則無(wú)需考慮此管線破裂，其功能有效。因此正常運(yùn)行時(shí)NA213房間一旦發(fā)生水淹不影響核安全功能，無(wú)需對(duì)房間內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步防護(hù)。

(2) 事故后

事故后考慮分區(qū)內(nèi)發(fā)生水淹事件，即事故發(fā)生24 h后考慮非能動(dòng)單一故障準(zhǔn)則的設(shè)備破裂，如RIS管道破裂。因REA泵在事故發(fā)生24 h后已不需投入運(yùn)行，此時(shí)內(nèi)部水淹不影響機(jī)組的安全。所以無(wú)需對(duì)房間內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步防護(hù)。

3.2 K216所在水淹分區(qū)安全評(píng)價(jià)

1) 房間的內(nèi)部水淹源

根據(jù)平面布置圖及水淹流徑分析，K216所在分區(qū)包括K216、K210和K212房間。

分析區(qū)域內(nèi)的內(nèi)部水淹源主要為各工藝系統(tǒng)的管道，包括PTR的管道、核島除鹽水分配系統(tǒng)(SED)和設(shè)備冷卻水系統(tǒng)(RRI)的管道。分區(qū)內(nèi)未安裝固定消防噴淋系統(tǒng)，無(wú)需考慮消防系統(tǒng)的動(dòng)作。

根據(jù)2.2節(jié)給出的水淹源識(shí)別原則以及第1章的設(shè)計(jì)假設(shè)可知，K216水淹分區(qū)主要存在正常運(yùn)行時(shí)以及事故后的水淹源。

2) 房間內(nèi)需防護(hù)設(shè)備

根據(jù)2.3節(jié)描述的需防護(hù)設(shè)備的特征，結(jié)合K216水淹分區(qū)內(nèi)的設(shè)備可分析出分區(qū)內(nèi)需防護(hù)的重要設(shè)備為PTR冷卻泵PTR001PO、PTR002PO、PTR006PO和安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(ETY)的風(fēng)機(jī)ETY001ZV、EYT002ZV。

3) 分區(qū)功能分析

結(jié)合內(nèi)部水淹源考慮的電廠運(yùn)行狀態(tài)和需要防護(hù)的設(shè)備，對(duì)K216水淹分區(qū)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。

(1) 正常運(yùn)行

正常運(yùn)行時(shí)，考慮分區(qū)內(nèi)發(fā)生內(nèi)部水淹事件。即PTR、RRI、SED的管道破裂或能動(dòng)部件如REA泵、閥等泄漏。此時(shí)PTR001PO正在進(jìn)行乏燃料水池冷卻功能(正常換料期間，PTR001PO、PTR006PO投入運(yùn)行執(zhí)行乏燃料水池冷卻功能)，PTR002PO執(zhí)行余熱排出備用功能。

一旦K216水淹分區(qū)內(nèi)發(fā)生水淹，則PTR001PO、PTR002PO、PTR006PO被水淹后考慮其停運(yùn)，冷卻功能全部喪失。因?yàn)閳?zhí)行乏燃料水池冷卻功能僅有PTR系統(tǒng)3臺(tái)泵，在其不可用的情況下，無(wú)法使用本系統(tǒng)中的其他設(shè)備以及其他系統(tǒng)完成此項(xiàng)功能，一旦此項(xiàng)功能喪失，將會(huì)導(dǎo)致乏燃料水池溫度上升、乏燃料余熱無(wú)法導(dǎo)出，對(duì)核電廠的安全功能產(chǎn)生了極大的威脅。因此必須對(duì)此房間內(nèi)的PTR泵進(jìn)行防護(hù)。而ETY風(fēng)機(jī)屬于ETY小風(fēng)量清洗風(fēng)機(jī)，執(zhí)行小流量送風(fēng)功能，水淹后認(rèn)為其停運(yùn)，不影響核電廠安全功能。

(2) 事故后

事故后考慮分區(qū)內(nèi)發(fā)生水淹事件，即事故發(fā)生24 h后考慮非能動(dòng)單一故障準(zhǔn)則的設(shè)備破裂如RRI管道破裂。因PTR泵在事故發(fā)生24 h后仍需一直運(yùn)行以保證乏燃料水池的冷卻，因此內(nèi)部水淹后所有PTR冷卻泵喪失同樣影響機(jī)組的安全。所以必須對(duì)房間內(nèi)的PTR冷卻泵進(jìn)行防護(hù)。事故后，ETY兩臺(tái)風(fēng)機(jī)不可用導(dǎo)致兩條混合管線不能運(yùn)行，需要機(jī)組后撤。

根據(jù)上述水淹安全評(píng)價(jià)，K216這一區(qū)域?yàn)閲?yán)禁水淹產(chǎn)生危害的區(qū)域，在后續(xù)水淹防護(hù)設(shè)計(jì)中必須根據(jù)水淹量的計(jì)算考慮采取適當(dāng)?shù)氖杷胧?/p>

4 結(jié)束語(yǔ)

核電廠在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須進(jìn)行內(nèi)部水淹安全評(píng)價(jià)，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，本文確定了核電廠內(nèi)部水淹確定論安全評(píng)價(jià)的分析方法和步驟，完善了核電廠的內(nèi)部水淹防護(hù)設(shè)計(jì)的流程，為核電廠內(nèi)部水淹確定論安全評(píng)價(jià)提供了方法和依據(jù)。并通過(guò)某百萬(wàn)kW級(jí)核電廠硼酸輸送泵間和PTR系統(tǒng)冷卻泵間的確定論安全評(píng)價(jià)，驗(yàn)證核電廠防內(nèi)部水淹確定論安全評(píng)價(jià)方法的適用性和可操作性。文中的評(píng)價(jià)方法可應(yīng)用到不同機(jī)型中。

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