武鈴珺 張 航 張 明 鄒志強 向清安

（中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610213）

0 引言

核電站嚴重事故是指事故發(fā)生后因安全系統多重故障和/或人員誤動作/動作失敗， 引起的嚴重性超過設計基準事故，造成核電站反應堆堆芯熔化，放射性可能突破多層或所有屏障，最終釋放到大氣環(huán)境中的事故工況。

核電站已發(fā)生的震驚世界的切爾諾貝利、三哩島及福島嚴重事故，展示了核電站發(fā)生嚴重事故的可能性及其后果的極端危害性，同時也一次次地推進著核電站嚴重事故防護措施的發(fā)展。 核電站具備完善的嚴重事故預防與緩解能力，已成為世界各國核安全當局及業(yè)主的共同要求。

中國核動力研究設計院和長江勘測規(guī)劃設計研究院共同完成了600 MWe 級地下核電站（CUP600）的概念設計。 地下核電站為全新設計的三代核電機組，在設計過程中結合以往工程經驗，參考國際、國內關于嚴重事故的研究成果，在嚴重事故預防和緩解方面進行了全面、深入的考慮，且由于地下洞室?guī)r體防護作用等的加持，嚴重事故應對較地面三代核電站具有獨特的優(yōu)勢，使得堆芯損傷頻率（CDF）和大量放射性釋放頻率（LRF）指標滿足并且遠高于國家法規(guī)要求。

1 嚴重事故防護

嚴重事故的應對就是對放射性物質的防護。 為阻止放射性物質向外擴散，地下核電站設計建立了四道實體屏障：燃料元件包殼、一回路壓力邊界、反應堆安全殼以及地下洞室?guī)r體。 其中，第四道屏障是地下核電站區(qū)別于地面核電站的特殊存在，是多一重的放射性防護保障。

嚴重事故對策按照四道屏障依次退防的縱深防御理念開展，針對每一道屏障完整性防護設置相應的措施，如圖1 所示。

圖1 地下核電站放射性防護示意圖

1.1 燃料元件包殼完整性防護

縱深防御防止放射性釋放的第一道屏障是燃料元件包殼，為了防止其完整性喪失，需要避免堆芯損壞，即防止堆芯熔化，第一道屏障的防護對應于嚴重事故的預防。

為防止堆芯熔化事故的發(fā)生，核電站將一系列假想的事故作為設計基準，根據事故的發(fā)生和發(fā)展有針對性地設置安全系統，并配置相應的處置規(guī)程，保證：（1）高質量地設計、施工和運行，最小化偏離正常運行狀態(tài)的情況發(fā)生；（2）設置停堆保護系統和相應的支持系統，及時停堆，防止運行中出現的偏差發(fā)展成為事故；（3）設置專設安全設施，限制設計基準事故的后果，防止發(fā)生堆芯熔化。 特別的，與地面核電站相比，地下核電站在防護燃料元件包殼完整性方面獨特的設置有（見圖2）：

圖2 預防堆芯損壞的主要措施示意圖

（1）相較于地面核電站，地下核電站將核島建筑全部置于巖體中，對于外部事件引起的事故有很好的防護作用：

（a）洞室?guī)r體對飛行物或墜落物的撞擊等提供了天然的保護，相對于地面核電站安全殼又多一重保護。

（b）洞室?guī)r體的密封性使核電站受強風、雨雪等極端氣候災害的影響小，相對于地面核電站安全殼的防護有所加強。

（c）有研究表明，地下的地震烈度小于地面，因此，地下核電站受地震等地質災害的影響較地面核電站小。 在相同的抗震裕度設計要求下，地下核電站能夠承受更高的地震等級。

外部事件防護能力的提升，使誘發(fā)嚴重事故始發(fā)事件的發(fā)生概率降低，堆芯熔化事故概率降低。

（2）地下核電站采用水電聯動設計，當水電與核電聯合運行時，水電核電可以互為備用電源。

（a）喪失外電源事故是核電站中需要重點考慮的事件之一，其防護的難度和設計考慮的重點是外電網的恢復時間。 相較于地面核電站，由于水電的存在，地下核電站能夠在喪失外電源的情況下迅速恢復外電源的供給，降低喪失外電源發(fā)生的概率。

（b）如果外電源不能在短時間內恢復，三代核電站設計有應急發(fā)電機，SBO 發(fā)電機以及附加應急發(fā)電機用于電源供應。 相較于地面核電站，由于水電的存在，地下核電站額外又多一重應急電源保障，即使在核電站自身應急電源全部喪失的情況下，也可通過水電為能動安全設施提供電源，使專設安全系統喪失以及全廠斷電事故的發(fā)生概率降低。

（c）借鑒福島事故經驗，需考慮核電廠長期喪失全部熱阱的工況，引入移動電源和移動水源進行安全防護。 相較于地面核電站，由于水電的存在，地下核電站可在移動電源能力不足時快速引入外部應急電源，持續(xù)為移動設備供電，降低移動設備喪失的概率。

（3）對于應急水源的考慮，地下核電站能夠選擇在地面合適的高程 （標高比核電站反應堆廠房洞室高的位置，可達180 m 以上）設置高位水池，利用高程差實現非能動供水，確保核電站正常及事故工況下的用水。

（a）利用厚實的巖層開挖的高位水池容量可以足夠大。 甚至利用水電聯動的優(yōu)勢形成高位水庫，設置高位水庫實現向高位水池的非能動供水， 高位水庫的高程高于高位水池。 高位水庫和高位水池的存在使得水源水容量極大地滿足核電站事故后長期排熱的要求，這一點可以解決內陸核電站冷源熱阱不足的困局。

（b）高位水池實現的非能動注入，其重力壓頭可達1.8 MPa 以上， 相較于三代地面核電站現有設計的非能動注入水源壓頭（在0.1～0.6 MPa 范圍）有很大提高，使非能動水源更早、更容易、更快速地注入需求部位。 在此條件下，地下核電站所設計的非能動系統具有較地面核電站更好的性能，例如，非能動余熱排出系統，在事故中起效時間更早，且自然循環(huán)更為順暢，確保堆芯完整。

（c）高位水池的高壓頭，使事故工況下應急注水對系統壓力要求降低，相較于地面核電站減輕了卸壓閥設計負擔。

1.2 一回路壓力邊界完整性防護

縱深防御防止放射性釋放的第二道屏障是“一回路壓力邊界”，在堆芯損壞無法避免的事故中，采取一切可行手段將熔融物滯留于一回路壓力邊界內，使其向大氣釋放的放射性降低到可控范圍，是實現“從設計上實際消除大量放射性物質釋放的可能性”的重要一步。

堆芯損壞的事故處置是嚴重事故緩解范疇，其處置原則和防止堆芯損壞有很大區(qū)別，要求盡量利用一切可利用的資源，必要時，可以利用一些不屬于專設安全設施的系統與設備。 同時為了提升自身應對嚴重事故的能力，保持一回路壓力邊界的完整性，地下核電站設計中考慮了嚴重事故專有措施（見圖3）。

圖3 一回路完整性防護措施示意圖

（1）設置快速卸壓系統，保證嚴重事故下反應堆冷卻劑系統壓力降低到防止高壓熔融物噴射的程度，實現應急注入需求的低壓狀態(tài)。

（2）設置堆腔注水系統，在堆芯熔融物掉落到壓力容器下封頭時， 通過壓力容器壁面熱量的傳導，排放堆芯熱量，從而控制堆芯熔化進程，維持壓力容器完整性。

堆腔注水系統分為能動和非能動兩個子系統。 如1.1 節(jié)分析，地下核電站在應急電源的優(yōu)勢，使堆腔注水系統能動子系統在嚴重事故處置中較地面核電站具有更高的可靠性。 高位水源也使堆腔注水系統非能動子系統在嚴重事故處置中較地面核電站具有更短的響應時間和更充足的水源。 從而地下核電站堆腔注水系統具有高于地面核電站的可靠性，使壓力容器完整性喪失的可能性極低。

1.3 安全殼完整性防護

縱深防御防止放射性釋放的第三道屏障是安全殼，在一回路完整性被突破的事故中，采取一切可行手段將熔融物滯留于安全殼內， 降低放射性物質釋放，是實現“從設計上實際消除大量放射性物質釋放的可能性”的關鍵一步。

安全殼完整性的防護是嚴重事故緩解措施的重要體現，是地下核電站控制放射性釋放非常重要的一環(huán)，地下核電站設計中對此進行了全面的考慮（見圖4）。

圖4 安全殼完整性防護措施示意圖

（1）氫氣風險是福島事故經驗中嚴重事故應對關注的又一個重點， 地下核電站設置安全殼消氫系統，通過合理化設計，在安全殼內布置多臺完全獨立的非能動催化氫復合器。 消氫系統是相對獨立，與其他系統沒有接口，不需要控制信號、電源、氣源等。 相較于地面核電站，地下核電站氫氣風險控制還可以通過向洞室排放稀釋濃度的方法實現。

（2）地下核電站設置非能動安全殼熱量導出系統，用于在事故工況下安全殼的長期排熱。 系統設計采用非能動設計理念，依靠上升段和下降段密度差驅動形成的自然循環(huán)流動排出安全殼內熱量，高位水池高達1.8 MPa 的非能動注入驅動力， 能夠形成很大的自然循環(huán)驅動壓頭，更利于自然循環(huán)流動和換熱，且相對于地面核電站高位水池具有更大的儲水能力，使安全殼排熱得到更持久的保障。

（3）地下核電站設置安全殼過濾排放系統，通過主動卸壓使安全殼內的大氣壓力不超過其承載限值，確保安全殼的完整性，并通過過濾裝置對排放氣體中的放射性物質進行過濾。

相較于地面核電站的直接排放（受到外部應急部署等諸多限制而不能輕易啟動）， 地下核電站的安全殼過濾排放系統動作是將放射性物質包容在下一屏障“洞室”中，使洞室承受一部分原應由安全殼承載的壓力負荷，排放系統的動作時機更加靈活，系統動作后對環(huán)境的危害大大降低甚至可忽略，在安全殼完整性的保持上發(fā)揮更為有效的作用，是其區(qū)別于地面核電站的顯著優(yōu)勢之一。

另外， 依據福島事故經驗應關注安全殼內乏燃料的防護，地下核電站針對乏燃料池冷卻，增加非能動冷卻系統及補水，利用高位水池儲水和位差優(yōu)勢降低乏燃料損壞的風險，也間接降低了安全殼失效的風險。

1.4 地下洞室?guī)r體防護

地下核電站安全殼外洞室?guī)r體外圍的天然地質條件（土壤、巖石等）形成了縱深防御防止放射性釋放的第四道天然的屏障。 這是地下核電站區(qū)別于地面核電站的顯著優(yōu)勢，是實現“從設計上實際消除大量放射性物質釋放的可能性”的重要保障，也是地下核電站取消場外應急的關鍵所在。

洞室不僅僅依靠于自身巖體的包容作用，設計中也有針對性的考慮了對放射性的處置措施（見圖5）。

圖5 洞室防護示意圖

（1）洞室?guī)r體將對多種途徑溢出安全殼的放射性物質進行包容。

在地下核電站的設計中針對洞室的密封性、 土壤和巖體對放射性物質的包容性， 以及洞室承壓能力等都做了大量的分析， 確保放射性物質進入洞室后能夠依靠其自身的包容能力，避免放射性物質向環(huán)境泄漏。

（a）安全殼是地面核電站放射性防護的最后一道屏障，而地下核電站布置在洞室?guī)r體中，又多了一道屏障，使放射性裂變產物到大氣中要經歷更長的傳輸路徑，最終使更多的物質得到衰變和沉降，大大降低放射性危害。

（b）核電站放射性泄漏的一種模式是由于與一回路連通的管道（如化容系統、安注系統等）破裂，而破口位于安全殼外且不可隔離。 地面核電站此種工況放射性釋放不可避免，但對于地下核電站此類管道均設置在洞室內，放射性不會向大氣環(huán)境直接釋放。

（c）對于蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故工況造成的“安全殼旁通”這一地面核電站普遍存在的“一回路屏障被突破后造成放射性物質直接釋放到環(huán)境中”的安全隱患，在地下核電站中由于洞室的設計而避免。

（2）地下核電站洞室對于放射性物質的防護不僅僅是包容，而是針對性地設置了防護措施：

（a）洞室內設置一定的過濾排放裝置，當嚴重事故中不可避免地需向洞室內排放放射性氣體時，可以通過固定式或移動式的過濾設備對這些進行處理，達到最終終止或減少放射性向環(huán)境的釋放的目的。

（b）結合地下核電站的特點，設計中特別考慮反應堆洞室水力彌散防護，通過在巖體中設置灌漿隔水帷幕及排水幕等措施，對在嚴重事故工況下可能產生的泄漏于安全殼外的、或廢液貯存罐（池）二次泄漏的放射性廢液進行再次攔截、收集與處理，充分發(fā)揮巖體的天然屏障作用，減少大規(guī)模放射性物質擴散的可能性。

（3）洞室存在的另一個意義是封固埋葬，這相對于地面核電站具有明顯的優(yōu)勢。

（a）如堆芯熔化進程不能終止，地下核電站能夠通過天然的地質巖體將放射性物質和核電站整體封存，對環(huán)境的影響相對較小，這一點在地面核電站上很難實現。

（b）安全殼外洞室的剩余空間約50 000 m3，相對于安全殼內的有限空間（約15 000 m3），對于熱量有更大的包容能力，同時周圍大量的巖體將會吸收從安全殼內排放出的熱量，即使嚴重事故后持續(xù)向洞室排放熱量，洞室仍能長期維持其自身完整性。

（c）當安全殼完整性喪失，大量的氫氣進入洞室內，較大洞室空間將使氫氣濃度顯著降低，氫氣燃爆風險降低。

2 結語

地下核電站在嚴重事故防護方面相對于地面核電站具有獨特的優(yōu)勢，能更好地對放射性物質進行包容和處置。

地下核電站在嚴重事故預防方面：巖體防護使由外部事件引發(fā)的不可控嚴重事故發(fā)生概率較地面核電站低。 在水電聯動的運行模式下，電源供給可靠性較地面核電站高出很多。 高位水源使非能動系統運行能力和持續(xù)時間較地面核電站顯著提升。

地下核電站在嚴重事故緩解方面：嚴重事故對策多方位設計：快速卸壓系統、堆腔注水系統、非能動安全殼排熱、安全殼過濾排放等。 洞室?guī)r體形成較地面核電站多一重的放射性物質包容屏障。 在洞室對放射性物質包容、處置、封閉的加持下地下核電站放射性物質包容能力較地面核電站更為顯著。

地下核電站通過合理選址及嚴重事故對策的有針對性設計，可實現“從設計上實際消除大量放射性釋放”。