从福岛核电事故看高温气冷堆的安全性目录一、福岛核电站情况简介 - 2-二、沸水堆的工作原理 - 2-三、福岛第一核电站地震事故原因分析 - 4-四、高温堆与压水堆的安全性设计比较 - 5-五、高温气冷堆的固有安全性 - 1-A、 具有防止放射性释放的多重屏障-1 -B、 具有非能动的余热排出系统-3 -C、 具有负反应性温度系数的补偿能力-4 -六、高温气冷堆失去厂外电源的事故分析 -5 -一、福岛核电站情况简介福岛核电站是世界最大的核电站。位于日本福岛工业区。由 福岛一站、福岛二站组成。共10台机组（一站6台，二站4台）, 均为沸水堆。输出功率/额定功率为 8814 / 9096MW。福岛一站1号机组于1967年9月动工，1970年11月并网，1971年3月投入商业运行。2号6号机组分别于1974年7月、 1976 年 3 月、 1978 年 10 月、 1978 年 4 月、 1979 年 10 月投入商 业运行。 福岛二站 4 台机组的输出 电功率净/ 毛值均为 1067/1100 兆瓦。二站 1 号机组于 1975 年 11 月开始施工， 1981 年 7 月并网， 1982 年 4 月投入商业运行。核电站曾经发生的事故：2005年8月里氏7.2级地震导致福岛县两座核电站中存储核废料的池子中部分池水外溢。2008年6月福岛核电站核反应堆5 加仑少量放射性冷却水泄漏。二、沸水堆的工作原理沸水堆的主要特性：核燃料：低浓缩铀，2 %富集度慢化剂：轻水冷却剂：轻水回路：一个回路堆芯：直流蒸发器压力：一回路：5-7Mpa一回路冷却水在堆芯内发生沸腾，并将产生的蒸汽直接送给汽轮发电StfitratarS 图1 ”，带有喷射泵及外部再循环回路的BuHLrigFbvtir 1- Ti. Ilml，:闵二，1GotBWR系统示意图容器、堆芯、堆内构件、如图1所示：沸水堆本体由反应堆压力汽水分离器、干燥器、控制棒组件及喷射泵组成。非常接近饱和温度的冷却剂水进入堆芯，吸收堆芯中裂变产生的热量，部分水变成蒸汽，堆芯中的汽水混合物向上流出堆芯，进入压力容器上部空间的汽水分 离器和于燥器。这些流体中，小部分为蒸汽，大部分的水则重新参加 循环。分离出来的饱和蒸汽直接接到汽轮机，蒸汽通过汽轮机做功后 经过冷凝器作为给水再返回到反应堆中。三、福岛第一核电站地震事故原因分析1、日本发生8.9 级地震原因，福岛电网瘫痪，核电站孤网运 行，厂用电源失去，应急用柴油发电机无法运转，核电站专设安全 装置失去动力。措施：核电站运营方紧急调用应急发电车进行援助，从美国紧 急调运冷却剂。2、应急堆芯冷却系统无法启动，堆芯喷淋装置无法启动，堆芯 不能够得到冷却。反应堆的剩余反应性产生的热量无法从反应堆带 出，冷却剂的温度由 30 度上升到 100 度，核电站无法控制反应堆的 水温，反应堆内压力最终达到运行压力的2 倍，安全阀开启，放射性 物质轻微泄露。措施：核电站采取外部注入海水的方式进行反应堆压力容器的 喷淋；开启阀门进行反应堆泄压，放射性物质随反应堆容器内的蒸汽 排放泄露。3、冷却剂沸腾，堆芯冷却水位急剧下降，堆芯逐渐露出水面， 热量不断积聚，燃料包壳在1200 度高温熔解，导致燃料熔化。福岛 第一核电站正门附近的辐射量升至正常值8 倍以上，1 号反应堆的中 央控制室辐射量是正常值的1000 倍。燃料元件熔化，存在堆芯熔化和爆炸的风险，基本无法控制。周围三公里居民疏散撤离。4、燃料元件的锆合金与高温高压水蒸气（1200 度）左右发生 反应，产生氢气，逐步从反应堆内逸出，积聚在反应堆压力容器和安 全壳之间，发生爆炸。安全壳垮塌，根据泄露出的放射性物质检测， 反应堆压力容器未爆炸。外部电源恢复，但堆芯存在熔融的可能。核电站 3 公里以内居 民撤离，3-20 公里人员呆在家中，并紧闭门窗，停用排风扇，以免 遭受核辐射。5、目前反应堆依然处于危险状态，预计会采用外部喷淋降温和 启动安全专设系统（不知道该系统在高温和爆炸状态下系统是否安 全）带出堆芯内的热量，确保反应堆处于次临界状态。此外如果反应堆状况继续恶化，极端情况可能会采用切尔诺贝 利核电站的办法，用石灰石、铅和混凝土造一座石棺。（以上个人看 法）四、高温堆与压水堆的安全性设计比较高温气冷堆与压水堆的比较系统高温气冷堆压水堆反应性控制控制棒 吸收球控制棒 硼浓度调节 可燃毒物压力调节氦气的吞吐稳压器余热排出非能动能动应急给水系统无有安全注入系统无有应急柴油机非安全级安全级安全壳不承压，无气密性要求的包容性气密性，双层壳，喷淋， 防氢爆福岛核电站反应堆球床式高温气冷堆发生灾难性地震反应堆保护停堆厂用电是-%否正常反应堆冷却剂循环建立启动应急柴油机柴油机是否正常应急柴 油机是极限工况反应堆余热正常导出反应堆余热无法导出 一回路温度压力卜升反应堆达到安仝状态蒸汽排放阀是一回路压力持续上升压力壳爆炸 堆芯裸露 放射性物质大规模泄漏是F重新启动氦风机1T二回路给水导出余热片T反应堆达到安全状态二回路冷却剂丧失通过蒸汽排放阀将放射性蒸汽泄放到大气中 反应堆温度上升控制棒和吸收 正常工作，同 用电且应急柴温度上升 负反反应堆在较达至HTR-PM采用陶瓷型包覆燃料颗 粒，最咼可以承受 2100的咼 温，在1600可以保证燃料颗粒 的完整性而压水堆冷却剂温度在350以上就会引起锆水反应，导致燃料 破损非能动余热排出系统工作反应堆达到安全状态五、高温气冷堆的固有安全性福岛核电站建于上世纪60 年代，属于早期的核电站，设计理念 和建造水平相对落后，尤其是在事故情况下，需要专设安全设施及时 投入运行，但是能动的专设安全设施对电力的依赖性很强，一旦事故 情况下应急电力无法供应就会导致较严重的后果。高温气冷堆专设安全设施采用非能动系统，使反应堆具有固有安 全性。所谓非能动系统是指靠自然的因素，比如重力、自然循环、压 缩空气系统等使系统自动投入，不需要泵、风机、柴油发电机和其它 的能动机械，因此不需要安全相关的交流电源。这种采用非能动安全 系统的固有安全性理念在具有第四代反应堆安全特性的高温气冷堆 中尤为明显。反应堆作为一种大规模利用核能的重要方式，在给我们输出大量 能源的同时，需要解决三个最重要的问题：一是放射性包容；二是剩 余发热的排出；三是反应性的控制。作为具有第四代安全特征的高温 气冷堆，针对上述三个问题采取如下的应对措施。A、具有防止放射性释放的多重屏障全陶瓷的包覆颗粒燃料的热解碳和碳化硅包覆层，是阻止放射性 外泄的第一道屏障。在事故最高温度1600 C,包覆颗粒燃料的破损 率只有百万分之几，绝大部分裂变产物都被阻留在颗粒燃料的包覆层 内。包覆燃料颗粒uo2核芯图2 高温气冷堆燃料原件球形燃料元件外层的石墨包壳，是阻止放射性外泄的第二道屏 障。由反应堆压力壳、蒸汽发生器压力壳和连接这两个压力壳的热气 导管压力壳组成的一回路压力边界，是阻止放射性外泄的第三道屏 障。压力壳的设计、制造具有很高的可靠性，几乎可以排除发生贯穿 性破裂事故的可能性，其完整性可以得到充分的保证。通风型低耐压式安全壳是阻止放射性外泄的第四道屏障。它不同 于压水堆安全壳，没有像压水堆那么高的气密性和承压要求，但它可 以与排风系统配合保持一回路舱室的负压，防止舱室内的放射性物质 向反应堆建筑物内扩散。当然，包覆颗粒燃料由于制造破损与辐照破 损，会有极少部分放射性物质通过扩散进入到一回路氦气冷却剂中 去。随着放射性衰变、氦气净化系统的分离以及在蒸汽发生器、反射 层石墨表面和石墨粉尘上的沉积，存留在一回路冷却剂中的放射性水 平是很低的。所以，即使发生一回路舱室内的压力超过大气压一定值， 其内的气体不经过滤通过烟囱直接排入大气，其放射性水平也低于规 定的限值。B、具有非能动的余热排出系统余热栽出一直是影响核电厂中安全运行的一个棘手问题，也是核 电厂与常规电厂的区别之一。水堆核电厂除了 AP1000中设计了非能 动的余热排出系统之外，一般都设有几列互为冗余独立的余热载出系 统，不仅需要外力驱动，属于能动方式，而且设备繁多，运行复杂。高温气冷堆根据“非能动安全性”原则进行热工设计，使得在事 故停堆后，堆芯的冷却不需要专设余热排出系统，燃料元件的剩余发 热可依靠热传导、热辐射等非能动的自然传热机制传到反应堆压力 壳，再经压力壳的热辐射传给反应堆外舱室混凝土墙表面的堆腔冷却 器，堆腔冷却器是设置在一回路舱室混凝土墙上的冷却水管，管内的 水经加热后完全依靠自然循环将热量载到上部的空气冷却器，最终将 热量散到周围环境中去，如图3所示。不仅如此，HTR-PM余热排出 系统还采用3X50%冗余配置，只要保证其中2列系统正常工作，即 可满足排出余热的要求。图3 高温气冷堆余热排出系统原理图高温气冷堆堆芯直径较小，平均功率密度也较低，这种非能动余 热排出系统的设计可以保证在极端的事故条件下，即在堆芯冷却剂完 全流失、主传热系统的功能完全丧失的条件下，保证堆芯燃料元件的 最高温度不超过1600 C的设计限值，远低于其包覆颗粒燃料的破损 温度2200C。这种非能动的余热排出系统排除了高温气冷堆堆芯熔 化事故的可能性。C、具有负反应性温度系数的补偿能力 高温气冷堆具有负的燃料温度系数和慢化剂温度系数，并且燃料 的正常工作最高温度和最高极限温度(1600C)之间有数百度的裕度， 即使发生一回路冷却剂丧失事故，随着燃料温度的升高引入负反应 性，使反应堆自动停止。此外，在水堆中，针对 LOCA 事故，为了保证堆芯不损坏，专门 设计了复杂的安全注入系统，包括高压、蓄水箱(中压)和低压安注 系统，设备庞大，运行复杂，并且安全和质保等级要求高，造价昂贵。高温气冷堆也有 LOCA 事故，为此设置了一回路隔离系统，但是 它的目的不是保证堆芯的冷却，而是减少冷却剂氦气向环境的释放，也根本不存在堆芯损坏的可能。水堆设置有应急给水系统（辅助给水系统），以保证停堆后第一 阶段从反应堆带走余热。此系统属于专设安全设施，要求很高。在一 般的压水堆中，应急柴油机是安全级的，要求高。高温气冷堆由于采用包覆燃料颗粒，运行温度与包覆燃料颗粒的 限制温度有很大裕度，可以依靠非能动的余热排出系统实现余热的载 出，无需应急给水系统。高温气冷堆由于其良好的安全特性，不需要 安全级的应急柴油机。六、高温气冷堆失去厂外电源的事故分析福岛核电站在本次大地震发生后，核电站正常供电系统和备用电 源全部无法工作，向反应堆输送冷却液的系统随之停运，堆芯剩余发 热无法排出导致一回路压力、温度升高，以致堆芯熔化和放射性泄露。 而具有固有安全性的高温气冷堆可以完全应对失去厂外电源的事故， 分析如下：高温气冷堆失去厂外电源将造成一回路主氦风机和二回路给水 泵的停运，引起冷却剂流量的丧失和二回路系统排热的减少。反应堆 发热在堆芯和一回路内积累引起一回路系统的升温升压和燃料元件 的温度升高，导致堆功率自动下降。反应堆失去厂外电源，控制棒驱 动系统同时失去电源，控制棒籍助于重力自动落棒，反应堆将紧急停 堆。当一、