CPR与EPR型核电站安注功能及系统对比研究

CPR与EPR型核电站安注功能及系统对比研究

苏欣

（大亚湾核电运营管理有限责任公司培训部；广东 深圳 518000  ）

摘要：对比EPR与CPR技术路线的核电厂的安全注入功能与系统设计，探讨三代核电的设计特点与运行要点。研究某集团各电站采用的CPR1000、引进型EPR、自主化三代HPR的专设安全设施系统，详细比较了安全注入系统（RIS）、发挥相应功能的各主要相关系统、主要设备运行参数等差异，探讨其背后的设计理念，为核电厂的运行维护和设计改进提供参考。

关键词：核电厂；安全注入；EPR；CPR

一、安全注入系统与相关简介

专设安全系统的设置目的是为了减轻事故的后果，防止放射性物质扩散到环境。以典型事故下的核安全三要素控制为例：

确保堆芯冷却：在发生LOCA（一回路冷却剂丧失）后向RCP提供堆芯补充水以确保足够的堆芯冷却剂装量和堆芯冷却。在DEC序列中，完全丧失蒸汽发生器给水供应，通过MHSI、LHSI和安注箱以及稳压器卸压途径带走衰变余热。通过MHSI泵补充堆芯冷却剂装量，以过渡到余热排出系统运行的状态。

有效控制反应性：尤其是在发生LOCA（一回路冷却剂丧失）和MSLB（主蒸汽管道破裂）事故后，通过RIS注入使主回路系统硼化，以确保反应堆处于次临界状态。

包容放射性产物：事故情况下，高温高压水从破口喷出，在安全壳内汽化，导致内部压力升高，放射性向环境释放概率增大，RIS系统提供冷却，保证第三道屏障安全壳的完整性。

二、安全注入系统对比分析

CPR及CPR1000+是在M310的基础上发展出来的，在常规岛汽水回路、DCS控制方面有较大改进，但在堆芯和安全系统设置方面基本一致。

CPR的安全注入系统主要组成为高压安注（HHSI）、中压安注（MHSI）、低压安注（LHSI）3个子系统构成。此外还承担一部分运行功能。

1、高压安注。在发生LOCA事故时，一回路失水，压力下降；或主蒸汽管道发生破裂引起一回路温度明显降低时，高压安注系统向堆芯注入高浓硼酸水，迅速冷却和淹没堆芯，并抵消因温度效应引起的正反应性增加，使反应堆维持在次临界。主要的设备为三台高压安注泵，此三台泵由RCV（上充下泄系统）兼作执行高压安注功能。

在正常运行时，这组泵作为RCV系统上充泵用于向RCP正常充水，其一台运行、一台备用、一台在维护。在事故工况下，接到安注信号（SI）时，RCV泵转而成为高压安注（HHSI）泵，两台泵运行，从RCV容控箱切换到堆外PTR水箱取水，向一回路注入硼水。

2、中压安注。中压安注系统属于非能动设计，主要由三个安注箱组成分别接到RCP三个环路的冷管段上。安注箱上部覆盖有氮气。在当RCP(反应堆冷却剂系统 )压力降到安注箱压力下降时，由氮气压将含硼水注入RCP系统冷段，在短时间内淹没堆芯，避免燃料棒熔化。

3、低压安注。低压安注系统由两条独立流道组成，每条流道有一台低压安注泵。低压安注泵的出口通过隔离阀接到高压安注泵吸入联箱上，为高压安注泵增压。低压安注泵与RCP系统冷、热段也有连管（与高压安注管线共用），其中两台低压安注泵分别连到第二和第三环路的热管段。当RCP系统压力低于低压安注泵压头时，低压安注泵也直接向RCP系统冷段或冷、热段注入。在反应堆正常运行时，两台低压安注泵不工作，处于待命状态。在接到安注信号（SI）时，高低压安注泵均自动启动。

三、EPR安全注入系统与相关系统

EPR的设计直接采用法国N4和德国KONVOI反应堆经过验证的成熟技术，与M310相比既有一定的技术连续性，又借鉴参考了美国系列技术的设计，还有一定的创新性。

EPR的安全注入系统遵循安全相关系统N+2的设计原则，一共设有几乎完全相同的4列。功能上每列都有两种运行模式，安注（SI）和余热导出（RHR）模式，每列包括中压安注子系统、低压安注子系统、非能动安注箱注入3个子系统。设备配置上每列包括1台中压安注泵、1台低压安注泵、一个安注箱、一个热交换器，以及附属的管网阀组等。高压安注。无。

1、中压安注。中压安注泵从位于R厂房最底部的堆内换料水池（IRWST）取水，经过安全壳隔离阀和逆止阀进行冷端注入。

2、非能动安注注入。安注罐由氮气覆盖。

3、中低压共用的堆内换料水箱/池。堆内换料水箱/池位于反应堆厂房，隔离阀与水池之间的取水管线是具有双层管壁的管线，它是第三道屏障的延伸。余热导出。以余热排出模式（RHR模式）正常运行时，RIS-RHR将用来导出裂变产物的衰变热和反应堆冷却剂显热，将反应堆从SG冷却的冷停堆状态带到和维持在长期冷停堆状态。

四、HPR安全相关系统

华龙一号（CGN版HPR）的设计，根据国内M310及其改进型的几百堆年的运行经验，结合辅导事故后的各项改进，同时大幅度借鉴了EPR的设计特点。在专设安全系统方面，与EPR的设计理念保持一致。

HPR的RIS系统设计有独立冗余的3列，功能上每列都有两种运行模式，安注（SI）和余热导出（RHR）模式，每列包括中压安注子系统、低压安注子系统、非能动安注箱注入3个子系统。设备配置上每列包括1台中压安注泵、1台低压安注泵、一个安注箱、一个热交换器，以及附属的管网阀组等。各设备运行参数与EPR接近。

五、 AP1000安全相关系统

与EPR相对于M310等法系设计有着明显的延续性不同，AP1000的安全相关系统设计有本质的差别。AP1000大量采用非能动系统，其堆芯冷却系统（PXS）由非能动堆芯余热排出系统（PRHRS）和非能动安全注入系统（PSS）组成。

六、综合对比分析

三代机组里面，在专设安全系统方面，HPR完全参考EPR的设计，主要还是采用能动设计。与CPR相比，改进较大，主要影响如下：

1、高压安注。CPR的高压安注在启动时，响应较快。但泵组出口压力太高，易导致一回路超压，而压力容器须避免低温高压工况，避免NDTT（脆性转变温度 ）造成设备降级。

EPR没高压安注，不存在此风险，当然也无法执行压力相对较高时向一回路注硼控制反应性的功能。为此EPR又另设了RBS(附加硼化系统)系统。该系统包括两列独立的回路，RBS硼酸箱装有高浓度硼酸；RBS泵为活塞泵，因此一回路超压风险较小。RBS泵的高压可以执行向一回路注入浓硼酸，也可用作一回路水压试验，与CPR的9RIS011PO水压试验功能类似。

CPR高压安注泵与RCV共用，发生设备故障时，对于I0的影响较大。EPR专门设置，不存在耦合影响。

2、中压安注。CPR没有真正的中压安注系统，或可理解为EPR的中压安注系统为中高压安注系统。因EPR中压安注泵出口压力小，在一回路稳态运行突发事故的情况下，泵出口压力低于一回路压力，故中压安注的响应较CPR更慢。为此，在SI信号发出时，打开主蒸汽排大气隔离阀，为一回路快速降温降压时，以便中压安注能向一回路注水。低压安注。在美系的设计中，余热排出泵兼做低压安注泵。在M310/CPR的设计中，低压安注不具有余热排出功能，另有单独的RRA系统。在EPR的设计中，借鉴了美系的设计理念，在HPR的设计中，也沿袭了这一特点。故EPR/HPR的RIS系统均设计有独立冗余的多列列，功能上每列都有两种运行模式，安注（SI）和余热导出（RHR）模式；同时，也没有设计单独RRA（余热排出系统 ）系统。

七、研究结论

基于对目前在运的各技术路线机组的安全注入系统做对比，得到如下结论：

1、EPR机组与CPR相比，在保留了基本设计框架的同时，也适度借鉴了美系的设计，设备与系统功能分配更合理，这也被HPR所采用。但其提高安全性的理念主要是增加冗余性、独立性，设备增加较多，对设备采购、维护、机组运行带来了压力。

2、美系的AP1000理念为中核版华龙一号所借鉴。全面平衡地贯彻了核安全纵深防御设计原则和设计可靠性原则，采用“能动与非能动相结合的安全设计理念”；能动安全系统是高效的、经过工程验证的，非能动安全系统可有效应对动力源丧失，以非能动安全系统作为能动安全系统的补充，可在保证技术成熟性的同时，大幅提高安全性。

参考文献

[1]郭利民.EPR机组智能化控制的设计原理[M].北京:中国原子能出版社,2018:182-183.

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