核電廠(chǎng)主控室可居留系統(tǒng)的優(yōu)化

鄭廣慧，趙新艷

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

核電廠(chǎng)主控室可居留系統(tǒng)的優(yōu)化

鄭廣慧，趙新艷

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

文章介紹了核電廠(chǎng)主控室可居留系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，闡述了以往核電廠(chǎng)主控室在可居留方面的設(shè)計(jì)缺陷，通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)，確保了主控室應(yīng)急區(qū)域環(huán)境的條件滿(mǎn)足人員一定期限的駐留要求，保證主控人員順利采取事故干預(yù)措施，將事故損失及對(duì)環(huán)境的放射性污染降到最低。

核電廠(chǎng)；主控室；應(yīng)急區(qū)域；可居留

核電廠(chǎng)主控室可居留系統(tǒng)是指在發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，甚至嚴(yán)重事故期間或之后，確保主控室應(yīng)急區(qū)域環(huán)境條件滿(mǎn)足人員一定期限的駐留要求，以使主控人員采取事故干預(yù)措施，將事故損失及對(duì)環(huán)境的放射性污染降到最低。

HAD002/01《核動(dòng)力廠(chǎng)營(yíng)運(yùn)單位的應(yīng)急準(zhǔn)備》第6章“應(yīng)急設(shè)施和應(yīng)急準(zhǔn)備”，將主控室作為核電廠(chǎng)的應(yīng)急設(shè)施之一；美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)10 CFR 50將主控室可居留系統(tǒng)歸屬于專(zhuān)設(shè)安全系統(tǒng)。因此，可居留系統(tǒng)設(shè)計(jì)是體現(xiàn)核電廠(chǎng)安全的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)背景

每個(gè)核電廠(chǎng)項(xiàng)目的建設(shè)都需要通過(guò)核安全部門(mén)的審核取證。根據(jù)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)10 CFR 50主控室可居留系統(tǒng)為核電廠(chǎng)專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施，我國(guó)核安全局是以NRC NUREG-0800《標(biāo)準(zhǔn)審查大綱》第6章“專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施”6.4節(jié)作為審查標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)主控室可居留系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)審查。

可居留設(shè)計(jì)還應(yīng)執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)HAF102和HAD002/01的規(guī)定要求。HAF102《核動(dòng)力廠(chǎng)設(shè)計(jì)安全規(guī)定》（2004年）第1.2.1規(guī)定，設(shè)計(jì)應(yīng)提供預(yù)防或緩解可能導(dǎo)致大量放射性釋放的嚴(yán)重事故措施。HAD002/01《核動(dòng)力廠(chǎng)營(yíng)運(yùn)單位的應(yīng)急準(zhǔn)備》第6章“應(yīng)急設(shè)施和應(yīng)急準(zhǔn)備”，將主控室作為核電廠(chǎng)的應(yīng)急設(shè)施之一，因此主控室的設(shè)計(jì)除提供應(yīng)急物資儲(chǔ)備、人員防護(hù)物品的要求以外，還應(yīng)滿(mǎn)足應(yīng)急時(shí)可居留的要求。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的要求，我國(guó)參考的核電廠(chǎng)設(shè)計(jì)中存在著一定的缺陷，需要按NRC NUREG-0800等要求開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 主要特點(diǎn)

作為核電廠(chǎng)專(zhuān)設(shè)安全系統(tǒng)，可居留系統(tǒng)包括以下主要特點(diǎn)：

（1）可居留系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

1）人員呼吸用新風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)；

2）主控室可居留區(qū)域內(nèi)的正壓系統(tǒng)；

3）輻射防護(hù)；

4）構(gòu)造維護(hù)系統(tǒng)；

5）構(gòu)筑物能抵御自然或人為等外部設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件：地震、龍卷風(fēng)、洪水、小型飛機(jī)撞擊及外部飛射物等；

6）火災(zāi)防御系統(tǒng)；

7）毒性或有毒氣體的防護(hù)屏障系統(tǒng)；

8）食物、水、醫(yī)藥等維持生存的最低保障系統(tǒng)。

（2）可居留系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的必要條件

1）應(yīng)急照明

應(yīng)急時(shí)應(yīng)立即可用，照度不低于200 lx。

2）應(yīng)急通訊

線(xiàn)路傳輸方式至少雙重，如微波、光纖等。

3）物質(zhì)儲(chǔ)備

人員生存基本物資：水、食品、藥品等按每人7天量?jī)?chǔ)備。

4）防護(hù)物品

防護(hù)衣、防護(hù)眼鏡及直讀式個(gè)人劑量計(jì)、熱釋光劑量計(jì)、碘片、應(yīng)急燈等防護(hù)物品的儲(chǔ)備。

3 優(yōu)化方案

3.1 參考電廠(chǎng)的固有缺陷

（1）主控室應(yīng)急區(qū)域邊界不清晰

原主控室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)（DVC）除了為主控室應(yīng)急區(qū)域（包括主控室、值長(zhǎng)室、計(jì)算機(jī)室、廚房、衛(wèi)生間）提供通風(fēng)空調(diào)功能外，還為儀控設(shè)備間、辦公室等不屬于應(yīng)急設(shè)施的諸多房間服務(wù)。

（2）主控室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)存在火災(zāi)共模失效缺陷

對(duì)于A、B系列主控室及相關(guān)儀控設(shè)備房間的通風(fēng)空調(diào)，采用了共用設(shè)備及通風(fēng)管網(wǎng)的設(shè)計(jì)，參考電廠(chǎng)主控室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)流程如圖1所示。因此當(dāng)A或B系列某房間著火時(shí)，會(huì)由共用管道將某列房間的火災(zāi)或煙霧引至另一列，導(dǎo)致A、B系列儀控設(shè)備或電纜同時(shí)不可用，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致A、B系列電源同時(shí)斷電，即發(fā)生失去廠(chǎng)內(nèi)電源事故。

（3）空氣處理主設(shè)備無(wú)備用

空氣處理主設(shè)備如過(guò)濾器、冷卻器、加熱器、加濕器都只設(shè)一臺(tái)。當(dāng)設(shè)備維修或更換時(shí)DVC系統(tǒng)必須停運(yùn)。同時(shí)，這些設(shè)備位于主風(fēng)機(jī)003ZV/004ZV的上游，在設(shè)備檢修及例行檢查時(shí)，人員因受到較強(qiáng)設(shè)備小室負(fù)壓氣流的影響，也通常不得不停運(yùn)系統(tǒng)。這些都降低了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

（4）空氣處理主設(shè)備為混凝土小室安裝

空氣處理主設(shè)備安裝在混凝土小室內(nèi)，由于其存在龜裂、密封不嚴(yán)等原因?qū)е孪到y(tǒng)泄漏量大，也不利于主控室噪聲的控制。

3.2 總體思路

根據(jù)上述弊端，主控室可居留系統(tǒng)（DVC）優(yōu)化及自主設(shè)計(jì)，必須在系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)空間許可范圍內(nèi)，采取可行的方案。其總體思路如下：

（1）分析參考電廠(chǎng)與新標(biāo)準(zhǔn)不相適應(yīng)的地方

圖1 參考電廠(chǎng)主控室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)流程圖Fig.1 HVAC system in the main control room of reference power plant

參考電廠(chǎng)的基準(zhǔn)事故為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，而根據(jù)HAF102《核動(dòng)力廠(chǎng)設(shè)計(jì)安全規(guī)定》（2004年）第1.2.1規(guī)定，設(shè)計(jì)應(yīng)提供預(yù)防或緩解可能導(dǎo)致大量放射性釋放的嚴(yán)重事故措施。標(biāo)準(zhǔn)的提高給設(shè)計(jì)帶來(lái)了更高的挑戰(zhàn)。

（2）H1、H3超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故

同樣因?yàn)閰⒖茧姀S(chǎng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，沒(méi)有考慮H1、H3事故工況時(shí)對(duì)核電廠(chǎng)的影響。H1事故工況為電廠(chǎng)喪失最終熱阱的事故；H3事故工況為廠(chǎng)內(nèi)、外電源全部喪失的事故。這些事故導(dǎo)致可居留的主控室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)DVC冷源喪失，主控室及DCS儀控設(shè)備間的溫度會(huì)上升。對(duì)此類(lèi)事故進(jìn)行了熱工分析并給出了相應(yīng)對(duì)策。

分析目的在于評(píng)價(jià)出DVC系統(tǒng)在H1/H3事故期間所維持的主控室人員居留的溫度狀況及1E級(jí)重要儀控設(shè)備在容許的溫度范圍內(nèi)能否滿(mǎn)足一定的工作時(shí)長(zhǎng)，使人員能夠在該時(shí)長(zhǎng)內(nèi)將反應(yīng)堆退防到安全狀態(tài)。

3.3 技術(shù)方案

根據(jù)總體思路，開(kāi)展的主要優(yōu)化措施如下：

（1）對(duì)于大量放射性物質(zhì)釋放的嚴(yán)重事故

1）對(duì)主控室邊界嚴(yán)格密封

— 對(duì)于主控室墻體、地面和吊頂，其內(nèi)外表面用低滲透性油漆/環(huán)氧樹(shù)脂密封劑進(jìn)行噴涂；

— 用環(huán)氧樹(shù)脂密封膠對(duì)與混凝土接觸的貫穿件套管外表面進(jìn)行密封處理；

— 對(duì)于管道貫穿件的內(nèi)部孔洞，采用承壓性不低于墻體的鑒定合格材料填充；

— 對(duì)于電纜橋架貫穿件的內(nèi)部孔洞，用承壓性鑒定合格且與電纜相兼容的材料填充；

— 門(mén)采用A2級(jí)防火的低泄漏密封條；

— 門(mén)上裝有自回力關(guān)閉裝置。

2）防外界污染空氣的滲透

為使人員呼吸新鮮空氣，滿(mǎn)足一定衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，HAF.J0055《核電廠(chǎng)控制室設(shè)計(jì)人因工程》規(guī)定，人員呼吸用新風(fēng)量為0.43 m3/min·人；正壓按30 Pa計(jì)算，設(shè)計(jì)時(shí)將參考電廠(chǎng)的新風(fēng)量提高了50%，由600 m3/h提高到900 m3/h，并加大主控室的送、回風(fēng)比例為1.2∶1。

3）劑量監(jiān)測(cè)儀表升級(jí)為1E級(jí)

DVC系統(tǒng)由正常模式切換到事故應(yīng)急運(yùn)行模式的自動(dòng)切換，依賴(lài)于KRT劑量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的兩個(gè)互為備用的儀表及控制管線(xiàn)，以便可靠、快速地執(zhí)行對(duì)DVC系統(tǒng)運(yùn)行模式切換的核安全相關(guān)功能，避免將事故時(shí)外界污染空氣導(dǎo)入到主控室，將儀表升級(jí)為1E級(jí)是非常必要的。

4）以嚴(yán)重事故的S3源項(xiàng)進(jìn)行可居留的事故評(píng)價(jià)

通過(guò)該評(píng)價(jià)找出影響評(píng)價(jià)結(jié)論的主要因素。當(dāng)不滿(mǎn)足事故可居留的放射性劑量限值時(shí)，通過(guò)方案調(diào)整直至達(dá)到滿(mǎn)足為止。事故源項(xiàng)的選定評(píng)價(jià)過(guò)程如下：

可居留分析時(shí)不僅考慮設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，更考慮了嚴(yán)重事故。評(píng)估嚴(yán)重事故的可居留性時(shí)選用的是S3事故源項(xiàng)。源項(xiàng)是指各時(shí)段安全殼向環(huán)境的放射性物質(zhì)釋放量，單位為Bq。核素的輸入順序?yàn)橛袡C(jī)碘、元素碘、氣溶膠碘、其他氣溶膠、惰性氣體。

DVC事故取風(fēng)口放射性濃度的計(jì)算，傳統(tǒng)的高斯煙羽模式在近距離情況下計(jì)算出的大氣彌散因子往往偏差較大，為此選用新尾流模式，即采用多元線(xiàn)性回歸方法。該方法綜合考慮了距離、建筑物、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度等多種因素的影響。

S3源項(xiàng)的釋放時(shí)間持續(xù)12 h，但主控室內(nèi)核素濃度降低需要較長(zhǎng)的時(shí)間，因此這里評(píng)價(jià)的時(shí)間取24 h（計(jì)算表明24 h后的劑量貢獻(xiàn)可以忽略）。在此期間，主控室內(nèi)人員的有效劑量為41 mSv，甲狀腺當(dāng)量劑量為203 mSv，即主控室的有效劑量低于HAD002/01及GB18871規(guī)定的50 mSv劑量限值，滿(mǎn)足嚴(yán)重事故下的主控室可居留性要求。

（2）H1事故工況的應(yīng)對(duì)措施

1）建立模型，由計(jì)算機(jī)程序評(píng)價(jià)出H1事故工況時(shí)，主控室及儀控設(shè)備間的溫度上升情況。

溫升計(jì)算原理及過(guò)程如下：

根據(jù)能量守恒原理，得出某時(shí)刻主控室熱平衡計(jì)算公式。

求解公式采用連續(xù)迭代的方法，計(jì)算結(jié)果得出主控室隨時(shí)間變化的實(shí)時(shí)溫度，由數(shù)據(jù)繪制出曲線(xiàn)。

計(jì)算結(jié)論為：H1事故工況時(shí)，且機(jī)組在夏季滿(mǎn)功率運(yùn)行時(shí)，到達(dá)1E級(jí)儀控設(shè)備最高允許溫度（35 ℃）的最小時(shí)長(zhǎng)為4.7 h，出現(xiàn)在3DVC2 L509房間；3DVC1為9.5 h，出現(xiàn)在L609房間。也就是說(shuō)，在發(fā)生事故4.7 h內(nèi)，主控室人員必須將反應(yīng)堆停堆，并使之退防到安全狀態(tài)。否則1E級(jí)機(jī)柜在高溫環(huán)境下可能的運(yùn)行不穩(wěn)定性導(dǎo)致功能的喪失。

2）H1事故工況應(yīng)對(duì)措施

— 對(duì)冷源進(jìn)行多樣化設(shè)計(jì)：增設(shè)一臺(tái)風(fēng)冷冷凍機(jī)組，出于必要性和經(jīng)濟(jì)性的考慮，風(fēng)冷冷凍機(jī)組設(shè)計(jì)為非安全級(jí)，水管道與原有水冷機(jī)組的管道共用；

— 重要的1E級(jí)機(jī)柜間增設(shè)溫度測(cè)量信號(hào)：重要的1E級(jí)機(jī)柜間如3DVC系統(tǒng)在L507、L509、L709、L710房間增設(shè)溫濕度測(cè)量?jī)x表，并在主控室設(shè)黃色、紅色報(bào)警。給主控人員一個(gè)預(yù)報(bào)，達(dá)到提前防范的目的。

（3）H3事故分析及應(yīng)對(duì)

H3（廠(chǎng)內(nèi)、廠(chǎng)外電源全部喪失）的事故影響分析過(guò)程如H1，不再計(jì)算DVC系統(tǒng)由通風(fēng)機(jī)帶走的熱量；計(jì)算房間也只計(jì)算由蓄電池帶載或由LLS供電的涉及核安全的關(guān)鍵房間，應(yīng)對(duì)措施是根據(jù)溫升狀況給出這些房間DCS設(shè)備總發(fā)熱量的限值，作為DCS供貨商的參考數(shù)據(jù)，從而保證這些由蓄電池帶載的DCS設(shè)備能夠正常工作，執(zhí)行其將反應(yīng)堆帶到安全狀態(tài)的功能。

（4）對(duì)于參考電廠(chǎng)的固有缺陷

對(duì)于參考電廠(chǎng)固有缺陷，優(yōu)化后的主控室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)流程如圖2所示，對(duì)應(yīng)措施如下：

— 在原有參考電廠(chǎng)的基礎(chǔ)上，重新明確主控室應(yīng)急區(qū)域邊界；

— 將DVC系統(tǒng)按A、B系列拆分為DVC1、DVC2后，DVC1保留DVC系統(tǒng)的原功能，DVC2為完全獨(dú)立的新系統(tǒng)；在不改變參考電廠(chǎng)原有工藝管道、電氣或儀控機(jī)柜、電纜橋架等功能及布置的前提下，為DVC2新增空調(diào)設(shè)備機(jī)房、規(guī)劃管道布置；

— 將空氣處理的主設(shè)備分別由1臺(tái)改為2臺(tái)；

— 空氣處理主設(shè)備由混凝土獨(dú)自小室的布置改為組合式金屬箱體安裝。

（5）對(duì)于毒性氣體的防護(hù)

首先對(duì)核電廠(chǎng)的毒性氣體種類(lèi)進(jìn)行分析并計(jì)算其濃度或質(zhì)量，包括氫氣、氮?dú)?、二氧化碳、去氧劑等。通過(guò)對(duì)有害氣體評(píng)價(jià)得到的結(jié)論是，不足以影響到主控室人員的可居留，但出于縱深防御策略，在主控室仍配備自主呼吸裝置。具體做法是在主控室操作盤(pán)柜下面設(shè)置5個(gè)SAT（公用壓空系統(tǒng)）的快速接頭，需要時(shí)與自主呼吸裝置相接，以應(yīng)對(duì)敵意破壞或超出設(shè)計(jì)考慮范疇的突發(fā)事件。

圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)后主控室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)流程圖Fig.2 The flow chart of HVAC system in the main control room after optimization

4 結(jié)論

本科研成果從確保主控室可居留的設(shè)計(jì)原則入手，體現(xiàn)了主控室人員呼吸新風(fēng)供應(yīng)、輻射防護(hù)、正壓保證、系統(tǒng)運(yùn)行可靠性等全方位的創(chuàng)新技術(shù)及縱深防御策略的實(shí)施，并在應(yīng)對(duì)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故、嚴(yán)重事故的技術(shù)上有所突破，這使主控室在各種事故條件下的可居留性能力大大提升?？蒲谐晒壳耙殉晒Φ貞?yīng)用于國(guó)內(nèi)已建或在建的二代改進(jìn)型核電廠(chǎng)，以及ACP系列的三代核電機(jī)組，為新型安全的核電廠(chǎng)發(fā)展提供了技術(shù)保障。

[1] HAD002/01 核動(dòng)力廠(chǎng)營(yíng)運(yùn)單位的應(yīng)急準(zhǔn)備[S].（HAD002/01 Emergency Preparedness for Nuclear Power Plant Operating Units[S].）

[2] HAF102 核動(dòng)力廠(chǎng)設(shè)計(jì)安全規(guī)定[S].（HAF102 Safety of Nuclear Power Plants: Design[S].）

[3] 10 CFR 50 核電廠(chǎng)及核廢料處理廠(chǎng)質(zhì)保要求[S].（10 CFR 50 QA Requirements for Nuclear Power Plants and Nuclear Waste Treatment Plants[S].）

[4] NRC NUREG-0800 標(biāo)準(zhǔn)審查大綱[S].（NRC NUREG-0800 Standard Review Program[S].）

Optimization of the Main Control Room Habitability System in Nuclear Power Plant

ZHENG Guang-hui，ZHAO Xin-yan
（China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Beijing 100840，China）

This article describes the optimization of main control room habitability system in nuclear power plant. It also describes the design shortage in terms of habitability in the main control room. Through modification and optimization, habitable conditions are met for personnel staying in the emergency area of the main control room for a period of time, with an aim to take accident intervention measures smoothly and reduce the accident loss and radioactive contamination as low as possible.

nuclear power plant；main control room；emergency area；habitability

TL37 Article character: A Article ID: 1674-1617(2013)04-0291-05

TL37

A

1674-1617(2013)04-0291-05

2013-08-22

鄭廣慧（1971—），女，北京人，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事核電廠(chǎng)暖通空調(diào)的設(shè)計(jì)工作。