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华龙一号与AP1000非能动安全壳冷却系统差异分析
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樊文+袁博
摘要:本文对福清核电华龙一号与美国西屋公司AP1000非能动安全壳冷却系统的组成,原理和运行进行了较全面的介绍,分析并比较了两种非能动安全壳冷却系统在工艺、化学、安全、冷却效率以及空气动力学方面的差异,分析结果表明:与美国西屋公司AP1000相比,华龙一号具有更高的安全性、更好的经济型及科学的合理性。本文的研究成果对我国华龙一号的发展、设计及推广应用具有重要的现实意义。
关键词:非能动安全壳冷冻系统系统;AP1000;运行原理
华龙一号(中国)和AP1000(美国西屋)均是第三代压水堆核电技术,二者在安全系统方面有各自突出的特点,除了利用二代压水堆核电站设置的能动专设安全设施外,还采用非能动技术,而且两种设堆都存在非能动安全壳冷却系统(passivecontainmentcoolingsystem,PCCS),PCCS能降低安全壳内的温度和压力,及时有效的PCCS能保护安全壳的完整性和增强对放射性物质的包容性[1],因此较好的PCCS系统能减少事故的发生,提高核电厂安全性[2]。通过对PCCS系统的对比分析,借鉴和学习国外同期技术,对我国核电技术发展、设计及推广应用具有重要的现实意义。
1华龙一号非能动安全壳冷却系统系统简介
为了应对核电站设计基准事故和超设计基准事故,华龙一号全面采用纵深防御,能动与非能动相结合的安全设计理念。能动安全系统可以处理一般的事故,并经过长期工程实践验证,可靠性强;非能动安全系统可以有效应对动力源丧失,作为能动安全系统的补充,增加了对叠加事故和自然灾害的应对能力,可大幅提高安全性。华龙一号继续保留二代压水堆核电站的能动安全系统,如安全注人系统、安全壳喷淋系统、辅助给水系统和安全壳隔离系统;同时增加了一些非能动安全系统,包括安全壳消氢系统、PCCS、二次侧非能动余热排出系统。能动非能动系统:堆腔注水冷却系统。下面重点介绍部分非能动安全壳冷却系统。
华龙一号PCCS由三个列和一个再循环回路组成,每列由一个换热水箱,一个导热水箱,两个换热器和两个汽水分离器构成;其中,再循环回路用于净化和维持冷却水温度。PCCS在上升管段设置了一个电动隔离阀,处于常开状态,在下降管段上设置一组两个并联的电动隔离阀,处于常关状态,事故情况下只要开启下降管段并联阀门中的一个,PCCS系统即可投运。
电站发生超设计基准事故时,安全壳内发生质能释放事故,大量高温蒸汽或蒸汽—空气等不凝结气体的混合物会不断上升,冲刷PCCS换热器外表面。PCCS换热器管线受到这些高温混合气体的加热,同时高温气体在PCCS换热器外表面冷却甚至凝结,放出热量。受热的冷却水沿着换热器出口上升管道进入安全壳外的换热水箱中,通过导热水箱最终排入大气。换热水箱中的较低温度的冷却水从换热水箱底部的出口,沿着系统下降管进入换热器,继续受热,维持自然循环。随着水箱温度不断升高,压力随之升高并将导热水箱内U型管中的冷却水压出水箱,使换热水箱与外界大气连通,而后换热水箱温度达到对应压力下的饱和温度,换热水箱产生的蒸汽将排入大气。当换热水箱水温超过80℃,PCCS系统上升管道开始出现蒸汽。随着上升管位置的升高,压力降低,上升管中的冷却水分离出越来越多的蒸汽泡并且不断聚集,汽泡尺寸也越来越大。汽水分离器的作用是将上升管道中的蒸汽泡破碎,减小由于大气泡的破碎和湮灭导致的不必要的管路系统震动。
2AP1000非能动安全壳冷却系统
AP1000非能动安全壳冷却系统由安全壳屏蔽厂房连为一体的冷却水储存箱、钢制安全壳以及冷却水分配装置,相关的仪表、管道和阀门组成;还包括辅助储水箱、循环泵、电加热器、化学添加箱及循环管线上的仪表、管道和阀门。AP1000非能動安全壳冷却系统供水并联管线上的三个常闭隔离阀,供水管线上三个并联隔离阀中两个为失效开启的气动阀,另一个为电动阀。每个隔离阀的上游均设有一个常开的电动阀,用于在下游隔离阀误开时隔离冷却水。安全壳穹顶上部设置的冷却水分配盘。分配盘侧壁沿圆周有16个均匀间隔分布的导流槽,将水分成16股均匀的水流。钢制安全壳容器是一个独立式的带上下椭圆封头的圆柱形容器,大部分地方的厚度为44.5mm,它被混凝土安全壳包裹,上半部分暴露在外部环境的空气中,既作为反应堆与外界的实体隔离,又作为非能动安全壳冷却系统的传热器。如图1所示。
当发生失水事故或主蒸汽管道破裂事故导致安全壳压力和温度升高进而触发AP1000非能动安全壳冷却系统动作时[3],来自非能动安全壳冷却水储存箱(安全壳顶部)的水依靠重力输送至钢制安全壳外表面,并通过相关的导流装置在钢制安全壳穹顶和壁面形成水膜,水流量随时间自动减小并至少持续72小时,冷却水流量仅取决于水箱水位。事故72小时后,操作
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