高鈺文，魏文斌

（山東核電有限公司，山東 煙臺 265116）

安全殼作為核電站的第三道安全屏障，能夠限制放射性物質(zhì)向外界環(huán)境中的釋放。依據(jù)HAF 102《核動力廠設(shè)計安全規(guī)定》，以及HAD 102/06《核電廠反應(yīng)堆安全殼系統(tǒng)的設(shè)計》等相關(guān)規(guī)定，核電廠需要定期開展安全殼整體泄漏率試驗，以驗證安全殼作為第三道安全殼屏障的密封性。

安全殼整體泄漏率試驗的執(zhí)行窗口為大修期間，占據(jù)大修關(guān)鍵路徑工期。試驗總體分為三個階段[1]：試驗充壓階段、試驗壓力平臺階段、試驗卸壓階段。試驗簡要描述為：封閉安全殼，使用壓縮空氣向安全殼內(nèi)充壓至試驗壓力（0.397～0.407 MPa），進行試驗數(shù)據(jù)采集和計算，得到當(dāng)前安全殼的泄漏率。打壓完成之后，需要對安全殼進行卸壓，卸壓后排放的安全殼空氣是氣載放射性流出物。

根據(jù)HAD 401/02《核電廠放射性廢物管理系統(tǒng)的設(shè)計》第A1.4 節(jié)的規(guī)定[2]：“所有類型反應(yīng)堆的排風(fēng)（污染或可能污染的）在排放前都要通過相應(yīng)的過濾器處理”。根據(jù)GB 6249—2011《核動力廠環(huán)境輻射防護規(guī)定》第8.1.1 節(jié)的要求[3]：“氣載放射性流出物必須經(jīng)凈化處理后，經(jīng)由煙囪釋入大氣環(huán)境”。

依據(jù)該三代核電的原始設(shè)計，試驗卸壓過程是直接將安全殼內(nèi)的試驗氣體經(jīng)過VUS 系統(tǒng)（即安全殼泄漏率試驗系統(tǒng)，下同）的卸壓流道，排放到外界環(huán)境中，中間未經(jīng)任何空氣的過濾[4]。調(diào)試期間由于沒有放射性，可以采用這種方式來執(zhí)行安全殼整體泄漏率試驗的氣體排放。但是機組帶核運行之后，再采取這種卸壓方式，會直接導(dǎo)致安全殼內(nèi)的放射性物質(zhì)直接排放到外界環(huán)境中，不滿足上述流出物排放的要求。

國內(nèi)某核電廠安全殼整體泄漏率試驗后安全殼內(nèi)廠房放射性碘超標(biāo)的經(jīng)驗反饋中，也提到了在安全殼整體泄漏率試驗期間（特別是卸壓期間），整個廠房的壓力變化可能會導(dǎo)致一回路內(nèi)系統(tǒng)水中或系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)壁吸附的放射性碘加速釋放。在這個經(jīng)驗反饋中，該核電站安全殼整體泄漏率試驗完成之后，輻射防護人員在安全殼內(nèi)，使用移動式碘監(jiān)測儀表測到讀數(shù)為170 Bq/m3。

對比之下，三代核電機組VFS 系統(tǒng)（即安全殼空氣過濾系統(tǒng)，下同）煙囪氣態(tài)流出物在線監(jiān)測儀表的高1 報警值為150 Bq/m3，如果試驗卸壓的排氣不經(jīng)過空氣處理單元，會導(dǎo)致煙囪氣態(tài)流出物在線監(jiān)測儀表報警。

除該類型三代核電機組之外，“國和一號”（CAP1400），以及“國和二號”（CAP1000）機組針對安全殼整體泄漏率試驗卸壓流道的設(shè)計也存在同樣的缺陷。

綜上，機組帶核運行期間，執(zhí)行安全殼整體泄漏率試驗的卸壓階段再采取三代核電機組的原始設(shè)計，是不合適的，需要研究新的卸壓流道和卸壓方案。

1 詳細技術(shù)研究

1.1 總體思路

根據(jù)上述分析，需要確保試驗卸壓之后的氣體經(jīng)過過濾之后，再進行排放。經(jīng)研究主要有兩種技術(shù)方案：

（1）機組增設(shè)新的空氣處理單元，并布置在安全殼整體泄漏率試驗卸壓流道的下游，確保試驗卸壓排放的氣體經(jīng)新增的系統(tǒng)空氣處理單元后排入電廠煙囪中，則可以滿足放射性流出物的排放要求。

（2）機組不新增空氣處理單元，采用機組當(dāng)前現(xiàn)有的空氣處理單元。三代核電機組核島中僅有 VFS 系統(tǒng)設(shè)置有兩臺空氣處理單元，如果能夠采取變更的方式確保試驗卸壓排放的氣體經(jīng)VFS 系統(tǒng)空氣處理單元后排入電廠煙囪中，則可以滿足放射性流出物的排放要求。

具體方案優(yōu)缺點如表1 所示。

表1 技術(shù)方案優(yōu)缺點分析Table 1 Comparison of advantages and disadvantages

經(jīng)對比分析兩種方案的優(yōu)缺點，優(yōu)先采用方案二。但是由于新的設(shè)計不在該三代核電系統(tǒng)和設(shè)備的設(shè)計基準(zhǔn)功能之內(nèi)，需要對系統(tǒng)和設(shè)備的承壓能力、排放流量、卸壓管道減壓能力等方面進行評估，以確保能夠滿足試驗的卸壓要求。如果經(jīng)過評估不滿足要求，則再執(zhí)行方案一。

具體對方案二的技術(shù)分析和研究如下。

1.2 技術(shù)研究及可行性論證

1.2.1 系統(tǒng)承壓能力評估

依據(jù)VFS 系統(tǒng)的系統(tǒng)規(guī)格書，空氣處理單元箱體的設(shè)計壓力為7 500 Pa，此外考慮到機組正常運行期間，VFS 系統(tǒng)能夠維持安全殼內(nèi)大氣的壓力為- 1 600～6 890 Pa[4]。因此從設(shè)計和實際運行來考慮，必須將安全殼整體泄漏率試驗卸壓的壓縮空氣降壓至6.89 kPa 以下，方可排入VFS 系統(tǒng)空氣處理單元進行凈化操作。

上述分析也證明了直接通過VFS 排風(fēng)空氣處理單元來凈化試驗的壓縮空氣是不可行的，必須先減壓，再凈化。

1.2.2 系統(tǒng)減壓能力評估

系統(tǒng)的減壓能力可以采取類比的方式來證明。在調(diào)試階段已經(jīng)執(zhí)行過一次安全殼整體泄漏率試驗，試驗結(jié)束之后的壓縮空氣經(jīng)由VUS系統(tǒng)（安全殼泄漏率試驗系統(tǒng)，下同）的管道和閥門之后，排入核島的煙囪中。核島煙囪的承壓等級為Ⅴ級，即承壓能力≤1 500 Pa。

由此可以證明VUS 系統(tǒng)可以把安全殼整體泄漏率試驗的壓縮空氣減壓至6.89 kPa 以下。

1.2.3 排放流量與時間估算

安全殼整體泄漏率試驗占據(jù)大修主關(guān)鍵路徑，在考慮技術(shù)方案的同時，必須考慮電廠經(jīng)濟性的問題，即新的方案在滿足核電機組安全和可操作性的基礎(chǔ)之上，需要對卸壓方案的排放流量與時間進行估算。具體評估和估算過程如下。

VFS 設(shè)置有兩臺排風(fēng)空氣處理單元，且每臺機組的空氣處理能力為6 800 m3/h，考慮到安全殼整體泄漏率試驗向安全殼內(nèi)打壓至0.407 MPa 左右，安全殼自由容積為58 000 m3，換算成標(biāo)準(zhǔn)空氣為236 000 m3。

在不考慮啟動、調(diào)整，以及卸壓后期的減速操作等因素的情況下，單純理論計算：

（1）啟動單臺VFS 排風(fēng)機，在全速下，卸壓時間為：236 000 m3÷ 6 800 m3/h = 34.7 h；

（2）啟動兩臺VFS 排風(fēng)機，在全速下，卸壓時間為：236 000 m3÷ 13 600 m3/h = 17.4 h。

在實際試驗卸壓操作過程中，在試驗卸壓初期，以及卸壓后期的調(diào)整階段，風(fēng)機的轉(zhuǎn)速達不到全速，因此實際的卸壓時間會比理論時間長。依據(jù)海陽核電首次大修執(zhí)行經(jīng)驗，卸壓時間約為20 h。

參照三代核電四臺機組調(diào)試期間安全殼整體泄漏率試驗的卸壓時間約為 26.5 h。如果能夠兩臺VFS 排風(fēng)風(fēng)機同時啟動，則可以大幅縮短卸壓時間。

因此如果確保技術(shù)方案的經(jīng)濟性，需要盡量確保卸壓過程中兩臺排風(fēng)風(fēng)機均投入運行。

1.3 具體改造方案

綜上分析，VUS 系統(tǒng)可以把安全殼整體泄漏率試驗的壓縮空氣減壓至VFS 系統(tǒng)排風(fēng)空氣處理單元的承壓能力之外，且在啟動VFS 系統(tǒng)兩列VFS 排風(fēng)風(fēng)機的情況下，相較于調(diào)試試驗，試驗卸壓速率可以大幅度提升。但是基于三代核電機組當(dāng)前的設(shè)置，VUS 系統(tǒng)減壓的管線和閥門，并沒有直接與VFS 系統(tǒng)排風(fēng)空氣處理單元相連接，因此，要實現(xiàn)上述功能必須對現(xiàn)有系統(tǒng)進行改造。

因此技術(shù)方案設(shè)定為：采取變更的方式，改變試驗的卸壓流道，將VUS 試驗卸壓閥下游與VFS 系統(tǒng)排風(fēng)空氣處理單元的母管相連，試驗卸壓的氣體經(jīng)由VUS 系統(tǒng)減壓之后，再通過VFS 系統(tǒng)排風(fēng)空氣處理單元。既可以滿足核電廠流出物排放的控制需求，又可以縮短試驗時間。

新設(shè)計示意圖如圖1 所示，其中標(biāo)紅的為三代核電原始設(shè)計的卸壓流道，標(biāo)綠部分為新設(shè)計的卸壓流道。

1.4 開發(fā)配套的卸壓方案

為確保試驗卸壓速率的安全、高效和穩(wěn)定，新的設(shè)計之下，需要開發(fā)配套的卸壓控制方案。

總體思路：在確保核安全、輻射安全、系統(tǒng)設(shè)備安全、試驗安全的前提下，采取技術(shù)手段，確保試驗卸壓過程的高效開展。

具體實施措施包括如下三個方面：

1.4.1 邏輯信號強制與閉鎖

該三代核電機組在設(shè)計上設(shè)置了一定數(shù)量的儀控邏輯信號，試驗卸壓過程中可能會觸發(fā)部分邏輯信號，導(dǎo)致VFS 風(fēng)機的切換，從而影響試驗的卸壓氣體的過濾和排放。

因此項目組在復(fù)雜的三代核電儀控信號系統(tǒng)中精準(zhǔn)的定位到了三個可能影響試驗卸壓的邏輯信號：核島廠房壓差高報警信號、風(fēng)機流量低報警信號、風(fēng)機連鎖切換邏輯信號。

通過邏輯信號的強制和閉鎖，確保試驗卸壓過程中，兩列VFS 排風(fēng)空氣處理單元優(yōu)先全部支持A 類試驗的卸壓。

1.4.2 監(jiān)視與操作

由于新的設(shè)計不在該三代核電的系統(tǒng)和設(shè)備的原始設(shè)計中，為確保系統(tǒng)和設(shè)備的安全，需要新增監(jiān)視儀表和傳感器。

（1）卸壓管線壓力。通過監(jiān)視安裝在卸壓管線上的壓力表，確保卸壓管線壓力始終在VFS排風(fēng)空氣單元的設(shè)計承受壓力范圍之內(nèi)，防止超壓損壞設(shè)備。當(dāng)出現(xiàn)壓力波動時，第一時間調(diào)節(jié)VUS 系統(tǒng)卸壓管線上閥門開度，調(diào)節(jié)壓力。

（2）試驗卸壓流量。通過監(jiān)視流量，確保卸壓流量始終維持在VFS 系統(tǒng)的設(shè)計范圍之內(nèi)，且盡量高，在滿足設(shè)備安全的前提下，維持試驗高效的卸壓。

1.4.3 運行操作及應(yīng)急預(yù)案的開發(fā)

針對該三代核電核電機組的技術(shù)復(fù)雜性，以及試驗卸壓過程中不可預(yù)見的問題，編制操作和應(yīng)急預(yù)案，對可能出現(xiàn)的風(fēng)機連鎖切換、風(fēng)機跳機等情況提前編制運行操作和應(yīng)急預(yù)案，通過這種措施，既能確保核安全、輻射安全，又能盡可能保障安全殼整體泄漏率試驗的高效開展。

2 現(xiàn)場試驗驗證

本技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于海陽核電兩臺機組首次大修安全殼整體泄漏率試驗。經(jīng)實踐證明，本技術(shù)成果的應(yīng)用，既克服了三代核電機組安全殼整體泄漏率試驗卸壓流道的設(shè)計缺陷，又大大提高了卸壓速率。

經(jīng)驗證：

（1）整個試驗卸壓過程中核電站放射性流出物排放滿足國家法律法規(guī)的要求

在整個試驗卸壓過程中，持續(xù)監(jiān)視電廠煙囪氣態(tài)流出物在線監(jiān)測儀表，未出現(xiàn)報警信號，證明了本技術(shù)成果的應(yīng)用能夠確保試驗氣體經(jīng)過過濾之后再進行排放，避免了氣載放射性流出物的直接排放，規(guī)避了海陽核電放射性流出物違規(guī)排放的風(fēng)險。

（2）各參數(shù)均在系統(tǒng)設(shè)計要求內(nèi)

在整個試驗卸壓過程中，持續(xù)監(jiān)視卸壓管道的壓力以及流量等各項參數(shù)，始終維持在AP1000 系統(tǒng)和設(shè)備的設(shè)計范圍之內(nèi)，未超過系統(tǒng)設(shè)備的要求，確保了系統(tǒng)和設(shè)備的安全。

（3）提高了電廠經(jīng)濟性，縮短了大修關(guān)鍵路徑工期。

采用本技術(shù)的海陽核電首次大修安全殼整體泄漏率試驗的卸壓所耗時間為：1 號機組為20 h 10 min，2 號機組為19 h 48 min。

而采用三代核電原始設(shè)計的調(diào)試階段的安全殼整體泄漏率試驗的卸壓速率為26 h 38 min（該數(shù)據(jù)為海陽核電2 號機組調(diào)試試驗數(shù)據(jù)，1號機組調(diào)試試驗數(shù)據(jù)時間更長，在這里僅采用調(diào)試試驗中耗時最短的試驗來計算）。

相較于調(diào)試試驗，采用本成果之后的海陽核電兩臺機組首次大修安全殼整體泄漏率試驗共計縮短卸壓時間 13 h 18 min。由于安全殼整體泄漏率試驗為大修關(guān)鍵路徑工作，因此，本技術(shù)成果的應(yīng)用為海陽核電兩臺機組首次大修縮短了 13 h 18 min 的關(guān)鍵路徑工期。

3 與國內(nèi)技術(shù)比較

經(jīng)調(diào)研，國內(nèi)AP/CAP 三代核電之外的核電機組在設(shè)計之初就已經(jīng)考慮到了安全殼整體泄漏率試驗卸壓氣體的過濾之后再排放的問題。經(jīng)調(diào)研國內(nèi)通用堆型的安全殼整體泄漏率試驗的卸壓速率和時間如表2 所示。

表2 國內(nèi)主要核電堆型試驗卸壓速率比較Table 2 Comparison of the depressurization rate

經(jīng)過對比分析，可以很直觀的可以得到結(jié)論：相較于國內(nèi)各個堆型的核電機組，以及該三代核電的原始設(shè)計，本項改造項目應(yīng)用之后的三代核電機組的安全殼整體泄漏率試驗的卸壓速率最快，卸壓耗時最短。進一步驗證了本成果的應(yīng)用能夠大幅度提高安全殼整體泄漏率試驗卸壓速率，降低卸壓時間，為大修關(guān)鍵路徑的縮短提供強有力的支撐。

4 項目的意義

4.1 提高核電廠安全性指標(biāo)

本項改造項目的應(yīng)用克服了三代核電機組安全殼整體泄漏率試驗卸壓流道設(shè)計的缺陷，重新設(shè)計之后的試驗卸壓流道，試驗氣體經(jīng)過機組現(xiàn)有的空氣處理單元過濾之后再進行排放，避免了氣載放射性流出物的直接排放，規(guī)避了三代核電放射性流出物違規(guī)排放的風(fēng)險。提高了機組的核安全和輻射安全。

4.2 提高電廠經(jīng)濟效益

經(jīng)上述數(shù)據(jù)分析，相較于調(diào)試試驗，本項目的應(yīng)用為三代核電兩臺機組首次大修縮短了13 h 18 min 的關(guān)鍵路徑工期。按照每小時50 萬人民幣的電價來估算，本成果的應(yīng)用為三代核電首次大修節(jié)省665 萬元。

5 結(jié)語

本文針對三代核電機組安全殼整體泄漏率試驗卸壓流道的設(shè)計缺陷（即：試驗氣體未經(jīng)過濾直接排放到外界環(huán)境，存在放射性流出物違規(guī)排放的風(fēng)險），提出了安全殼整體泄漏率試驗卸壓流道的新設(shè)計，并自主開發(fā)了配套的卸壓方案。在不新增機組空氣處理單元的同時，滿足了核電廠放射性流出物排放的要求，同時相較于調(diào)試試驗，大大提高了試驗卸壓速率。本項成果和方案，可以廣泛適用于后續(xù)同類型三代核電機組，以及“國和一號”（CAP1400）、“國和二號”（CAP1000）等三代核電項目。