，

(環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京　100082)

“華龍一號(hào)”是由中核集團(tuán)和中廣核集團(tuán)共同開(kāi)發(fā)，具有完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電技術(shù)，采用先進(jìn)的安全設(shè)計(jì)理念與技術(shù)，具有創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)特征，滿足最新的安全要求和國(guó)際第三代核電的用戶要求。最初階段，“華龍一號(hào)”作為中國(guó)自主的三代核電技術(shù)，由中核集團(tuán)和廣核集團(tuán)分別研發(fā)設(shè)計(jì)，示范工程分別為福清核電站5號(hào)機(jī)組和防城港核電站3號(hào)機(jī)組，分別于2015年5月7日和2015年12月24日正式澆筑第一罐混凝土，標(biāo)志著具有中國(guó)完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核電技術(shù)“華龍一號(hào)”首堆示范工程正式開(kāi)工建設(shè)?；趦蓚€(gè)示范工程技術(shù)融合后的華龍一號(hào)技術(shù)方案是我國(guó)核電走出去戰(zhàn)略的重要支撐。

兩個(gè)“華龍一號(hào)”示范工程的核島廠房的布置及組成略有不同。福清核電站5號(hào)機(jī)組核島廠房包括反應(yīng)堆廠房、外層安全殼和防護(hù)廠房、燃料廠房、電氣廠房、安全廠房、核輔助廠房、核廢物廠房等，均屬于抗震I類物項(xiàng)，嚴(yán)格按照核電廠相關(guān)的法規(guī)、導(dǎo)則和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。其中，反應(yīng)堆廠房、外層安全殼和防護(hù)廠房、燃料廠房、電氣廠房、安全廠房采用公共筏基；核輔助廠房、核廢物廠房單獨(dú)筏板基礎(chǔ)。防城港核電站3號(hào)機(jī)組核島廠房由反應(yīng)堆廠房、外層安全殼和防護(hù)廠房、燃料廠房、安全廠房、核輔助廠房、應(yīng)急柴油機(jī)廠房等組成。反應(yīng)堆廠房、外層安全殼和防護(hù)廠房、燃料廠房、安全廠房共同坐落在一個(gè)厚度不同的公共筏基上，在抗震分析中，公共筏基上的核島廠房進(jìn)行整體分析，其他核輔助廠房、應(yīng)急柴油機(jī)廠房單獨(dú)進(jìn)行抗震分析。

“華龍一號(hào)” 示范工程核島廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較二代核電機(jī)組有明顯不同，在防御外部自然事件和外部人為事件方面較二代核電機(jī)組進(jìn)行了大量改進(jìn)。本文對(duì)“華龍一號(hào)”示范工程核島廠房在防御外部事件方面的主要設(shè)計(jì)改進(jìn)進(jìn)行介紹。

1　核島廠房的抗震設(shè)計(jì)與分析

核島廠房作為容納和支撐核電機(jī)組安全級(jí)系統(tǒng)和設(shè)備的重要物項(xiàng)，其自身的抗震設(shè)計(jì)受到重點(diǎn)關(guān)注；同時(shí)對(duì)于核島廠房安放安全級(jí)系統(tǒng)和設(shè)備的各樓層，需要計(jì)算并輸出樓層反應(yīng)譜作為核安全相關(guān)重要設(shè)備及管道力學(xué)分析與抗震鑒定的輸入數(shù)據(jù)。因此，其計(jì)算的準(zhǔn)確性在核電廠地震響應(yīng)分析中具有舉足輕重的意義。目前，二代核電機(jī)組核島廠房抗震分析計(jì)算通常建立簡(jiǎn)化的集中質(zhì)量廠房模型，依據(jù)國(guó)內(nèi)外核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(如我國(guó)的GB 50267-97《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，美國(guó)的ASCE 4-98及法國(guó)的RCC-G等)推薦的集總參數(shù)計(jì)算方法考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用(SSI)。對(duì)于廠房中的貯液水箱結(jié)構(gòu)在地震作用下的液體晃動(dòng)效應(yīng)影響，依據(jù)美國(guó)的ASCE 4-98推薦的水體彈簧公式予以考慮。

廠房結(jié)構(gòu)抗震分析計(jì)算理論和計(jì)算手段的進(jìn)步有助于提高核島廠房抗震分析和樓層反應(yīng)譜計(jì)算的精度和合理性。

1.1　核島廠房三維實(shí)體有限元計(jì)算模型

以M310堆型為代表的二代核電站通常建立簡(jiǎn)化的集中質(zhì)量廠房模型，如圖1所示，為反應(yīng)堆廠房(RX)計(jì)算模型；“華龍一號(hào)”示范工程設(shè)計(jì)中，對(duì)于核島廠房均建立了精細(xì)的廠房三維實(shí)體有限元模型，如圖2和圖3所示，每個(gè)樓層可以依據(jù)關(guān)鍵設(shè)備的支撐所在位置進(jìn)行相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的樓層反應(yīng)譜計(jì)算。

圖1　M310反應(yīng)堆廠房(RX)集中質(zhì)量模Fig.1　 NI building lumped mass model of M310 unit

圖2　福清核電站5號(hào)機(jī)組核島廠房整體三維有限元模型Fig.2　NI building 3D FE model of Fuqing NPP unit 5

圖3　防城港核電站3號(hào)機(jī)組核島廠房整體三維有限元模型Fig.3　NI building 3D FE model of Fangchenggang NPP unit 3

1.2　地震輸入

以M310堆型為代表的二代核電站的地震輸入采用美國(guó)RG1.60標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜，激振的作用點(diǎn)為自由場(chǎng)表面。SSE地震的垂直分量零周期加速度為0.133g；OBE地震采用1/2SSE。

中廣核“華龍一號(hào)”示范工程核島廠房的抗震設(shè)計(jì)按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)考慮，其地震輸入沿用了M310的RG1.60標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜，垂直分量采用0.2g標(biāo)定的RG1.60水平設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，如圖4所示。核島廠房標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)考慮了從軟到硬的3組地基參數(shù)，其剪切波速分別為1 100 m/s、2 000 m/s、3 000 m/s。同時(shí)，取消了OBE地震的設(shè)計(jì)。

中核集團(tuán)“華龍一號(hào)”示范工程核島廠房的抗震設(shè)計(jì)按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)考慮，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜采用美國(guó)改進(jìn)型RG1.60標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜，激振的作用點(diǎn)位于廠房的基礎(chǔ)底面?？紤]兩個(gè)水平的地震作用，即運(yùn)行安全地震作用(SL-1)及極限安全地震作用(SL-2)。采用的SL-2級(jí)地面運(yùn)動(dòng)水平向和豎直向峰值加速度均為0.3g，如圖5所示；SL-1級(jí)地面運(yùn)動(dòng)水平向和豎直向峰值加速度均為0.1g。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)適用于多種場(chǎng)地情況，考慮的剪切波速分別為600 m/s、700 m/s、900 m/s、1100 m/s、1500 m/s、2000 m/s、2400 m/s和3000 m/s，其中以3000 m/s替代固定端。其他7種地基參數(shù)考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用。

圖4　中廣核集團(tuán)“華龍一號(hào)” 示范工程核島廠房設(shè)計(jì)地震反應(yīng)譜Fig.4　Design earthquake spectrum of GNPE HPR 1000 NI buildings

可見(jiàn)，兩個(gè)“華龍一號(hào)” 示范工程核島廠房的抗震設(shè)計(jì)水平分量與豎向分量均較M310機(jī)組有所提高，且采用軟、中、硬質(zhì)場(chǎng)地的多組地基參數(shù)進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，提高了核島廠房抗震設(shè)計(jì)的安全性和適用性。

圖5　中核集團(tuán)“華龍一號(hào)” 示范工程核島廠房設(shè)計(jì)地震反應(yīng)譜Fig.5　 Design earthquake spectrum of CNPE HPR 1000 NI buildings

1.3　設(shè)計(jì)樓層反應(yīng)譜的確定

以M310機(jī)組為代表的二代核電站的核島廠房，由于采用集中質(zhì)量桿模型，一個(gè)節(jié)點(diǎn)輸出的樓層反應(yīng)譜代表整個(gè)樓層的地震響應(yīng)，即整個(gè)樓層設(shè)備的地震輸入是相同的?！叭A龍一號(hào)”示范工程核島廠房建立了精細(xì)的廠房三維實(shí)體有限元模型，其地震響應(yīng)的輸出是靈活多樣的，可以單獨(dú)輸出關(guān)鍵設(shè)計(jì)支撐點(diǎn)處的樓層反應(yīng)譜，也可以輸出某一區(qū)域多節(jié)點(diǎn)的樓層反應(yīng)譜，進(jìn)而取多條計(jì)算反應(yīng)譜的包絡(luò)值，作為此區(qū)域的設(shè)計(jì)樓層反應(yīng)譜。比如，反應(yīng)堆廠房某樓層計(jì)算節(jié)點(diǎn)的選取，如圖6所示。樓層反應(yīng)譜取該樓層全部計(jì)算節(jié)點(diǎn)的樓層反應(yīng)譜頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大值，最后按照的GB 50267-97《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄E的方法對(duì)包絡(luò)的計(jì)算反應(yīng)譜進(jìn)行平滑化處理，最后得到不同阻尼比的設(shè)計(jì)樓層反應(yīng)譜，如圖7所示。再者，廠房的三維實(shí)體有限元模型考慮了大跨度樓板的柔性，較集中質(zhì)量模型完全剛性樓板的假設(shè)更合理準(zhǔn)確。

圖6　反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)某樓層的計(jì)算節(jié)點(diǎn)Fig.6　 Calculation notes on a floor of reactor building internal structure

圖7　設(shè)計(jì)反應(yīng)譜與計(jì)算反應(yīng)譜的比較Fig.7　Comparison of design FRS and calculated FRSs

1.4　環(huán)形水箱地震作用下的流固耦合分析

強(qiáng)地震可在水池或水箱中引發(fā)晃動(dòng)效應(yīng)。這種現(xiàn)象會(huì)在水池中產(chǎn)生波浪，波浪又與懸掛反應(yīng)堆和控制系統(tǒng)的橋架以及靠近水面的水下結(jié)構(gòu)發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。由于液體晃動(dòng)效應(yīng)典型的自振頻率比結(jié)構(gòu)物的頻率低很多，因此晃動(dòng)可能在地震的第一高頻波到達(dá)廠址之后數(shù)十秒后開(kāi)始。評(píng)價(jià)液體晃動(dòng)現(xiàn)象的兩個(gè)主要目的是：評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)與水池或水箱之間的相互作用和評(píng)價(jià)水波的高度及其對(duì)容器池壁上的動(dòng)水壓力。

在以M310機(jī)組為代表的二代核電機(jī)組的核島廠房設(shè)計(jì)中使用附加質(zhì)量法將液體分為脈沖質(zhì)量和晃動(dòng)質(zhì)量及剛度的等效系統(tǒng)進(jìn)行模擬。依據(jù)Housner彈簧質(zhì)量模型，脈沖壓力的作用可用固定于水箱的等效質(zhì)量來(lái)代替，晃動(dòng)產(chǎn)生的對(duì)流壓力可看作是流體的奇數(shù)階振動(dòng)對(duì)水箱體的作用力，等效對(duì)流質(zhì)量與水箱側(cè)壁的連接可視為彈簧連接，如圖8所示。這是考慮流固耦合動(dòng)力計(jì)算問(wèn)題的一種簡(jiǎn)化方法。圖8為考慮水箱中流體前3個(gè)奇數(shù)階振動(dòng)的Housner 模型。該方法計(jì)算效率高，計(jì)算結(jié)果相對(duì)保守，缺點(diǎn)是：不能真實(shí)地模擬液體晃動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

圖8　Housner彈簧質(zhì)量模型Fig.8　Housner mass spring model

為了核電機(jī)組的整體安全性，兩個(gè)“華龍一號(hào)” 示范工程均設(shè)置了外安全殼高位外掛水箱，水箱中有3000 t的水，如圖9所示。此外，“華龍一號(hào)”核安全相關(guān)結(jié)構(gòu)水池還包括：燃料廠房中的乏燃料水池、反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)中的3個(gè)扇形內(nèi)置換料水箱和電氣廠房輔助給水箱，如圖10所示。

圖9　中核集團(tuán)“華龍一號(hào)”示范工程外安全殼高位外掛水箱Fig.9　Containment high position water tanks of CNPE HPR 1000

在“華龍一號(hào)”示范工程中運(yùn)用有限元計(jì)算軟件ABAQUS結(jié)合歐拉-拉格朗日 (CEL) 流固耦合分析的顯式動(dòng)力學(xué)分析方法，從不同材料網(wǎng)格特性、相互接觸關(guān)系、流體狀態(tài)方程與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程等方面出發(fā)真實(shí)模擬地震作用下水池和水箱中的液體晃動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，得到精確的地震作用下水箱中水與結(jié)構(gòu)的相互作用。

圖10　中核集團(tuán)“華龍一號(hào)”示范工程核安全相關(guān)結(jié)構(gòu)水箱Fig.10　Safety related water tanks of CNPE HPR1000

2　核島廠房抗大型商用飛機(jī)撞擊的設(shè)計(jì)

“9·11”事件以后，以美國(guó)為代表的西方國(guó)家，開(kāi)始在核設(shè)施設(shè)計(jì)中考慮大型商用飛機(jī)惡意撞擊問(wèn)題。我國(guó)也在2016年頒布的新版HAF102“核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定”中要求將大型商用飛機(jī)撞擊作為一種超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)外部事件，針對(duì)新建核電廠的安全影響進(jìn)行評(píng)估，在采用現(xiàn)實(shí)模型進(jìn)行分析的前提下，設(shè)計(jì)中采取必要的防護(hù)措施，以表明在盡量有限的操縱員動(dòng)作下保證遭受撞擊后，核電廠能夠維持反應(yīng)堆堆芯冷卻，或保持安全殼完好，以及保持乏燃料冷卻或乏燃料池完整性。

在以M310機(jī)組為代表的二代核電機(jī)組的核島廠房設(shè)計(jì)中均未考慮大型商用飛機(jī)的撞擊影響。

2.1　外層安全殼和防護(hù)廠房

為了滿足新版HAF102 提出的安全要求，“華龍一號(hào)”示范工程通過(guò)采用外層安全殼和防護(hù)廠房(簡(jiǎn)稱APC殼)或充分隔離的冗余系統(tǒng)來(lái)防御大型商用飛機(jī)撞擊導(dǎo)致的不可接受的后果，即采用APC殼確保反應(yīng)堆和乏燃料池冷卻所必需的非冗余系統(tǒng)或設(shè)施進(jìn)行保護(hù)，APC殼防護(hù)的部位包括包容核燃料的反應(yīng)堆廠房與燃料廠房；采用物理隔離措施對(duì)確保反應(yīng)堆和乏燃料池冷卻所必需的冗余系統(tǒng)或設(shè)施進(jìn)行保護(hù)。并對(duì)“華龍一號(hào)”示范工程核島廠房在大型商用飛機(jī)撞擊下的影響進(jìn)行了分析評(píng)估。

外層安全殼和防護(hù)廠房是為了抗商用大飛機(jī)撞擊，而設(shè)置的鋼筋混凝土構(gòu)筑物，簡(jiǎn)稱APC殼。福清核電站5號(hào)機(jī)組外層安全殼的外形類似于內(nèi)層安全殼，非外露筒壁厚度為1.5 m，外露區(qū)域?yàn)?.8 m，穹頂厚度為1.8 m。為燃料廠房和電氣廠房提供防護(hù)的墻體以及頂板的厚度，除了個(gè)別區(qū)域外，均為1.8 m。防城港核電站3號(hào)機(jī)組外層安全殼的穹頂和筒壁厚度均為1.5 m；安全廠房遭受直接撞擊的墻體厚度為1.2 m，屋面板厚度為1.0 m；燃料廠房的防護(hù)外墻的采用變截面厚度，為1.2 m、1.5 m、1.6 m不等，燃料廠房屋面板厚度為 1.0 m。

2.2　大型商用飛機(jī)撞擊影響評(píng)估

“華龍一號(hào)”示范工程的抗大型商用飛機(jī)撞擊的設(shè)計(jì)采用的大型商用飛機(jī)撞擊參數(shù)包括，撞擊角度：與地面夾角為0～10°；撞擊面積：對(duì)于機(jī)身部分，撞擊面積是圓形，對(duì)于機(jī)翼部分，撞擊面積為矩形；撞擊速度：110 m/s；燃油質(zhì)量：75 000 kg；飛機(jī)總質(zhì)量：400 t；撞擊荷載時(shí)程曲線見(jiàn)圖11。

圖11　撞擊荷載時(shí)程曲線Fig.11　Impact load time history curve

對(duì)于構(gòu)筑物整體破壞的評(píng)估，美國(guó)電力研究院發(fā)布的NEI07-13推薦了兩種分析方法：荷載時(shí)程分析法和飛射物-靶體相互作用分析法。其中，荷載時(shí)程分析法直接用沖擊荷載時(shí)程函數(shù)進(jìn)行構(gòu)筑物的響應(yīng)分析，不需要建立飛機(jī)的三維有限元模型。中廣核集團(tuán)“華龍一號(hào)”示范工程抗大型商用飛機(jī)撞擊的設(shè)計(jì)采用此荷載時(shí)程分析法；中核集團(tuán)“華龍一號(hào)”示范工程的設(shè)計(jì)采用飛射物-靶體相互作用分析法。整體分析的驗(yàn)收準(zhǔn)主要包括：1)結(jié)構(gòu)最大位移，結(jié)構(gòu)位移不應(yīng)超過(guò)內(nèi)外殼間距或墻體與重要設(shè)備、系統(tǒng)之間的距離；2)鋼筋極限應(yīng)變，確保結(jié)構(gòu)在大變形情況下不喪失承載能力，鋼筋應(yīng)變不應(yīng)超過(guò)5%。

初步計(jì)算分析結(jié)果表明，抗大型商用飛機(jī)撞擊的結(jié)構(gòu)非線性分析結(jié)果能夠滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則要求。

圖12　中核“華龍一號(hào)”示范工程大型商用飛機(jī)撞擊分析Fig.12　Large commercial aircraft crash analysis of CNPE HPR1000

3　結(jié)論

由中核集團(tuán)和廣核集團(tuán)分別研發(fā)設(shè)計(jì)的“華龍一號(hào)”示范工程在核島廠房外部事件防護(hù)設(shè)計(jì)中，與二代核電機(jī)組相比均按照現(xiàn)行核安全法規(guī)要求進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)：

1)在抗震設(shè)計(jì)方面，建立了核島廠房三維實(shí)體有限元模型；采用了抗震設(shè)計(jì)加速度水平有所提高，采用多組地基參數(shù)進(jìn)行包絡(luò)分析，提高了核島廠房抗震設(shè)計(jì)的安全性和適用性；

2)采用流固耦合動(dòng)力非線性分析方法計(jì)算安全相關(guān)重要水池和水箱中水體在地震作用下的晃動(dòng)效應(yīng)，得到更為精確的分析結(jié)果，用于核島廠房的防護(hù)設(shè)計(jì)；

3)遵照新版HAF102“核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定”的要求，將大型商用飛機(jī)撞擊作為一種超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)外部事件予以考慮，設(shè)置了防御大型商用飛機(jī)撞擊的防護(hù)措施，并對(duì)核島廠房的撞擊效應(yīng)進(jìn)行了安全評(píng)估。