核电厂冷源安全分析
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摘 要：冷源安全是核电厂的生命线。本文通过国内外核电厂冷源安全事件的典型案例进行分类介绍，并分别对海生物类、固体废物类、冷源相关系统设备故障类对国内某核电厂冷源安全现状作出评价。最后从核电厂设计、对始发事件的识别和研究、变更改造和提升应急响应能力四个方面给出提高电厂冷源安全的合理化建议。
关键词：冷源安全;堵塞;应对措施
0 引言
冷源的定义为向其放热而不改变其自身温度的热库，我国运行及在建核电厂的最终冷源均为海水。冷源安全可靠的运转是核电厂正常运行的前提和必要条件，如果冷源失效就意味着堆芯热量无法排出致使燃料原件过热，进而可能导致一回路压力边界失去完整性而引发核安全事故。例如，2011年3月发生的福岛核事故就是由于地震引发海啸而使应急柴油机无法正常运转导致冷源无法供应，最终导致机组爆炸的核安全灾难[1]。在2004年至2008年间，全球核电厂发生取水口堵塞事件就达61起，其中80%的事件导致机组降功率或停堆，超过20%的事件直接对核电厂安全相关系统造成影响[2]。
1 核电厂冷源安全隐患介绍及分析
依据国家核安全局批准发布的核安全导则《核电厂最终热肼及其直接有关的输热系统》（HAD102/09），核电厂在设计最终热肼（即冷源）及其相关的系统之初就应该考虑下列外部事件、内部事件及可能发生的组合事件。
1.1 外部事件
核电厂冷源可能发生的外部事件有：（1）丧失厂外电源;（2）水坝失效;（3）爆炸;（4）飞机坠毁;（5）船舶冲撞;（6）地震;（7）极端的气象和自然条件;（8）生物现象。
核电厂虽在机组设计、厂址选择、工程施工、设备采购安装过程中对上述假设始发事件给予了充分的考虑，但近年来由于外部事件引起核电机组停机停堆或者降功率运行的事件时有发生，国内某核电厂（简称A核电厂）应关注的外部事件有：船舶冲撞（曾在大亚湾核电厂发生）、极端气象和自然条件（曾在海南昌江核电发生由于台风导致取水口垃圾淤积而引发运行事件）、生物现象（曾在国内外电厂大量发生此类事件）。
1.2 内部事件
设计时应该考虑的内部事件有：（1）火灾;（2）内部水淹;（3）飞射物和承压部件破损;（4）部件误动作和运行人员误操作。
内部事件应受到电厂运营单位足够的重视，以上四类内部事件的发生都有较大的可能性。其中内部水淹引发的事件较多发生在机组调试阶段，在福清核电、海南核电和秦山核电厂都有发生。
2 冷源安全事件分析
通过对近年发生的典型的冷源安全事件进行分析，分别就海生物类、固体废物类、冷源相关系统设备故障类三类冷源事件分了介绍，分析事件产生的原因。
2.1 海生物类
引起安全事件的海生物包括海洋植物和海洋动物。近几年发生多起如水草、海地瓜、水母、海虾等海生物由于爆发性涌入冷源相关系统而使得核电厂机组降功率运行，甚至停机挺堆的运行事件。下面就几个典型事例进行分析：
（1）法国CRUAS核电厂4号机组丧失冷源事件。2009年12月1日-2日法国CRUAS核电厂因为电厂取水河流上游大坝放水，增加了河流流量，随水流带来了大量加拿大伊乐藻（由平时的5m3/month增长至50m3/month）。事件产生的安全方面的重要影响包括4号机组丧失全部热阱5个小时;1、2、3号机组丧失部分重要厂用水系统。潜在安全影响是假设情况恶化，能够导致所有机组热阱丧失，在这种情况下，机组会有熔堆风险。造成该事件的直接原因是取水河流流量增加进而携带的藻类数量增加。电厂对藻类的清理能力不足造成堵塞状况恶化。（2）宁德核电厂3号机组海生物入侵导致停堆运行事件。2015年8月7日-8日大量海地瓜爆发性涌入宁德核电3号机取水口，进入鼓网，并聚集在鼓网内，造成鼓网压差高引发循環水泵跳闸，使得3号机组停机，继而因高功率下凝汽器不可用而紧急停堆;后续因辅助给水系统（8ASG）除气器故障，造成辅助给水箱失去补水，反应堆被迫向余热排出系统冷却的正常冷停堆模式（NS/RRA）后撤。冷源应急响应预案不完善（取水口拦污能力不足、海生物入侵造成鼓网压差高导致一台循环水泵跳闸后未能及时有效的降负荷控制机组、主动停堆）是本次事件紧急停堆的主要原因。对双机组设计但单机组运行时的机组共用核安全辅助设施的可用性管理存在不足，风险管理不到位是本次事件反应堆状态后撤的重要原因。（3）红沿河核电厂大量水母涌入循环水过滤系统取水口导致1、2号机组停堆运行事件。2014年7月21日-22日，大量体型较小水母爆发性涌入红沿河核电厂循环水过滤系统取水口，通过细栅格后进入鼓型滤网，与其他细小生物连成膜状物，造成鼓型滤网压差高导致机组停机停堆。引发事件的主要原因：核电厂对周边海域环境的认识不足;没有应对海生物大规模爆发的拦污设施，且未能根据实际情况及时改进;冷源小组未有效运作。
针对以上三起较为典型的事件分析得知：1）核电厂未能就应对海生物入侵的措施实际给予充分考虑;2）对核电厂附近海域的海生物习性掌握不足，对海生物入侵，未建立有效的监测、预警和响应机制，应急响应机制不够完善;3）核电厂对大量爆发的海生物清理能力不足，设备和人员的准备不够充分;4）核电厂对设施的可用性管理存在不足。
2.2 固体废物类（垃圾、麦秸杆、小石子）
（1）田湾核电厂海水取水口麦秸杆堵塞运行事件。2007年7月9日-11日，田湾核电厂海水取水口出现大量麦秸杆，超出了海水取水明渠的拦截和防护能力，引起海水取水口堵塞，导致海水取水的水头损失增大，供给汽轮机冷凝器的海水冷却水水量下降，海水循环水泵入口（消波池）液位降低，为减少循环冷却水的使用量，降低取水的水头损失，保证取水和用水重新达到平衡，两台机组各自切除了一台海水循环水泵，并将其余海水循环水泵转为低速运行;同时，由于通过汽轮机凝汽器的海水冷却水流量下降，导致凝汽器真空下降，为保证凝汽器真空，田湾核电两台机组降功率运行。在整个事件过程中外海取水未丧失，为核电机组供应安全厂用水的前池始终存在正常补水，电厂最终热阱没有受到威胁。但引起田湾核电两台机组降功率运行，造成了一定的经济损失。（2）福清核电厂3号机组调试期间重要厂用水系统贝类捕集器重复维修，频繁发生压差报警事件2016年3月23日-6月29日，福清核电厂3号机组先后5次由于碎石子堵塞贝类捕集器滤网而产生压差高报警，每次报警都需要进行滤网清理，其中最后一次发现贝类捕集器的反冲洗管线被堵死。事件原因是：3、4号机组取水明渠主要采用爆破开挖，取水明渠底部由于未清理干净而残余很多碎石子，随水流进入重要厂用水系统，最终堵塞贝类捕集器。贝类捕集器反冲洗管线堵死的原因是反冲洗管道阀门由于阀门指示开度与实际开度不符导致阀门未能全开使得水流速降低，进而使碎石子沉积并堵塞管道。（3）昌江核电厂2号机组台风期间杂物堵塞CFI鼓网触发反应堆自动停堆事件。2016年10月19日，昌江核电厂2号机组，由于台风“莎莉嘉”影响，大量沉积在海底的杂物（草根、树叶、塑料袋等）以及海藻、小鱼被大风引起的海浪搅动，进入取水通道，导致循环水过滤系统鼓网堵塞，循环水泵跳闸，触发汽轮机跳闸，叠加反应堆功率大于10%FP，反应堆自动停堆。事件的主要原因：台风引发海浪搅动携带杂物涌入取水明渠，昌江核电厂取水明渠防波堤为直堤，消波能力差，最终导致运行事件。 针对以上三起较为典型的事件分析得知：1）核电厂取水口附近及取水渠里的海洋垃圾对冷源安全造成威胁，应及时清理;2）部分核电厂对取水明堤的设计存在缺陷，极端气候条件下应对能力不足;3）在建机组的取水明渠建设产生建筑垃圾，对在运行和调试的机组的冷源安全造成影响，应尽量避免;4）海洋垃圾的爆发性涌入具有不确定性。
2.3 冷源相关系统设备故障类
秦山第二核电厂3号机组循环水过滤系统鼓网销子断裂，常规岛生水系统进气导致机组降功率运行事件2011年6月20日，因钱塘江上游水库放水导致大量杂物垃圾堆积并进入取水口，同时由于循环水过滤系统格栅除污机运行效果不佳，鼓网附着大量水草杂物，鼓网内外水位差过大，以及疲劳损伤的累积，导致鼓网销子断裂停止转动，海水流量下降;因常规岛生水系统进气（由循环水泵出口取水），常规岛闭式循环冷却水系统温度快速上涨，3号机组被迫从660MWe降功率到350MWe，停运循环水B泵进行检修处理。在鼓网故障修复后，因进水口杂物堆积依然严重，常规岛生水系统再次进气，机组无法维持满功率运行，到6月24日海水杂物影响已经较小，3号机组恢复满功率运行。
事件的主要原因：特殊天气条件下钱塘江上游水库泄洪导致海水中飘浮的杂物过多，水草杂物堵塞导致循环水流通不足、循环水泵入口吸气;疲劳损伤和循环水系统鼓网内外水位差过高导致鼓网销子断裂;格栅除污机运行性能不佳。
3 A核电厂冷源安全分析
以国内A核电厂为例，针对3类典型事件，分别开展适应性分析：
3.1 海生物类
A核电厂根据海洋生物调查情况，编制了《临近海域海洋生物对A核电厂海水取水安全影响的调查分析与评价方案》，报告根据优势物种和其他电厂堵塞生物等情况，初步梳理了可能造成福清核电厂取水口堵塞的海洋生物，并对其进行风险等级划分，并针对主要威胁生物提出了初步的预警方法与分类响应措施。认为：
（1）A核电厂海域水母类在浮游动物中不占主导地位，但春季数量较多，有可能大规模爆发，建议在春季加大对取水口的排查，发现较多水母类生物时，及时进行清理;（2）邻近海地瓜数量极少，可暂不考虑海地瓜的对取水口造成堵塞;（3）电厂周围海域5公里范围内有较大面积的海带养殖场，在春季收获季节，有可能会对取水口带来安全隐患，应加大对取水口的排查力度。
3.2 固体废物类（垃圾、麦秸杆、小石子）
A核电厂海水取水海域附件没有麦秸秆，故麦秸秆堵塞CFI系统的可能性可以不做考虑。
碎石子影响到重要厂用水系统有效运转的事件在A核电厂有发生，应经验反馈到后续机组的安装、调试中去，并对贝类捕集器进行技术改造，降低堵塞风险。
昌江核电停堆事件中取水明渠防波堤设计为直堤，消浪能力差是导致事件的根本原因，附近海域有大量垃圾且未及时清理是促成原因。A核电厂取水明渠在设计上已考虑到直堤的缺点，但应对取水明渠及附近的海洋垃圾定期进行扫测和清理。
3.3 冷源相关系统设备故障类
秦山第二核电厂鼓网的驱动原理是，电机通过三角带传动，带动齿轮减速机，齿轮减速机的输出端通过联轴器驱动鼓网轴转动（使用安全剪断销来实现电机过流保护）。而A核电厂鼓网的驱动原理是，电机直接驱动蜗轮蜗杆减速机;蜗轮蜗杆减速机的输出端通过联轴器驱动鼓网轴转动（没有采用安全剪断销，而是采用电器控制来实现过流保护）。两电厂鼓网安全保护方式不同。
4 核电厂冷源安全应对措施
4.1 设计是关键
（1）核电厂设计单位在各电厂设计之初应对福岛核事故、各类冷源安全事件进行经验反馈，在初始设计時给予考虑，避免由于设计不符合要求不能适用于特定的厂址条件。（2）对冷源安全起重要作用的设备，需因地制宜，根据厂址条件，选择合适的可靠性高的设备。
4.2 加强对始发事件的识别和研究
（1）应定期对核电厂涉及冷源安全的构筑物、设备和相关系统的环境参数进行更新，进行趋势分析，设别并分析可能发生的冷源安全始发事件。（2）核电厂应定期对附近海域开展海生物影响分析，注意其可能的爆发季节和条件，做好对应监控，及时准确识别生物种类，发现有潜在堵塞生物时应及时采取应对措施，做好应急处理预案，及时处理。（3）建立有效监测系统实时获取风向、风速、温湿度等气象数据并传输至主控和应急指挥中心，滨海电厂与国家海洋局预报中心签订协议，每日向应急管理人员、运行人员报送24-72小时电厂前沿海域和附近海域风速、风向、浪向、浪高等海域气象预报信息。（4）通过开发机器人等手段，加强对取水口附近及取水渠内海生物密度、海洋垃圾、水底泥沙等情况的监测。如有需要及时清理。（5）做好取水口打捞杂物的形态和数量的分析工作，结合环境因素进行预防处理。（6）与同行电厂建立有效交流机制，进行经验反馈和经验交流。（7）针对冷源相关系统和设备，制定监督计划，按期开展系统监督，对系统和设备的可靠性进行评价。
4.3 运行电厂加强检修策略和变更改造
（1）对于多机组共用的取水明渠，在取水明渠端口设置人字形升降滤网，既增加海生物防御能力，也便于在建机组由于工程施工船舶进出。（2）对于冷源相关关键设备（如拦污栅、旋转滤网、滤网冲洗系统、阴极保护、液位仪控设备、化学处理设备以及保护回路）进行定期的维护和试验。及时发现问题，经过设计审查，为提高系统和设备可靠性进行变更改造。（3）检查维护工作应选在堵塞潜在风险最小的时间段。
4.4 提升响应能力
（1）遵循“安全第一，预防为主，综合治理”的方针，坚持防御和救援相结合的原则。统一领导、分工负责、加强联动、快速响应，最大限度地减少突发事件造成的损失，尽快限制内部故障的发展，消除故障根源并解除对人身和设备的威胁。核电厂应建立完善的应急组织体系及应急预案，有效提高应急响应和事故处理能力。（2）制定应急预案，纳入电厂应急计划，相关部门和人员责任明确，定期开展应急演习，对演习过程中发现的问题，及时总结并制定相信的改善措施，提高事故处理能力。（3）编制响应的事故处理规程，与离电厂较近且有资质的打捞单位签订合同，事故发生时有效配合，降低事故影响。（4）操纵员模拟机培训中考虑冷源堵塞场景，并按照培训计划定期看展培训工作。
5 结语
核电厂冷源安全的重要性不言而喻，直接影响到机组安全和核安全，应给与高度重视。冷源安全事件及安全隐患不管是在同行电厂还是福清核电厂都有较高的发生概率和频度，且发生的原因很多，不确定性很大。通过对已发事件分析，结合A核电厂自身条件，提出改进和完善的措施和建议是相当有必要的。也对后续新建机组具有一定的参考意义。
参考文献
[1] 张忠岳.福岛核事故引发的若干思考[J].核电安全，2012，5（4）：380-383.
[2] 阮国萍.核电厂取水口堵塞原因分析与应对策略[J].核动力工程，2015，36（S1）：151-154.
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