图文详解AP1000核电站分析

1山东核电有限公司宿伟成/薛益鸣AP1000总体介绍2目录1.概述2.核电厂的布置3.核岛系统4.常规岛系统5.仪控系统6.电气系统7.海阳核电主体工程进展31.概述AP1000是美国西屋公司设计开发的双环路1000MW级压水堆。AP1000在传统压水堆核电技术的基础上，采用“非能动”的安全系统，使其安全性、经济性有了显著提高。41.概述AP1000的总结构图51.概述1.1安全评审情况西屋公司美国核管会（NRC）02年3月标准设计证书申请包括：DCD,PRA等受理申请，开始评审04年9月确认AP600有关的试验和分析程序可以用于AP1000设计预认证审查最终安全评价报告最终设计批准书标准设计证书审查验证接受评审700多个问题04年9月获得最终设计批准书获得标准设计证书02年7月05年12月61.概述1.2设计理念A.NSSS:基本采用二代技术,部分设备升级,少量系统优化;B.安全技术:不放弃但不依赖已有的安全技术和设备，尽量采用全新的非能动技术以提高整个电站的安全性。（例如，柴油发电系统、厂用水系统、正常余热导出系统、辅助给水系统，等等）71.概述1.2.1安全系统设计理念安全系统非能动化简化安全系统配置减少安全支持系统减少安全级设备及抗震厂房提高可操作性将人为制造的安全条件让位于由自然规律形成的本质安全降低维修要求81.概述1.3主要特点描述安全性提高反应堆堆芯损坏频率显著降低大量放射性释放频率显著降低成熟性设计系统的优化厂房、设备布置简化系统、设备、厂房等物项减少技术的进步全厂数字化仪控模块化设计，制造91.3主要特点(安全性提高)非能动安全系统要点四路安全注射:1.堆芯补充水箱(70.8M3×2)2.安全注射箱(56.6M3×2)3.内置换料水箱(2092M3)4.RPV被淹没后的地坑水三路防止RCS超压:1.自动卸压阀第1、2、3级2.自动卸压阀第4级3.RPV顶盖放气两路自然循环冷却:1.RCS→PRHS→IRWST→RCS2.IRWST(蒸发)→CV(传导＋对流)→大气10反应堆堆芯损坏频率显著降低1.3主要特点(安全性提高)11第二代和AP1000核电站系统和设备布置的比较121.3主要特点(成熟性设计)成熟性设计反应堆和反应堆冷却剂系统设计采用成熟技术非能动技术，经过大量试验、计算和验证NRC于2005年12月30日向西屋公司颁发了AP－1000标准设计的“标准设计证书”131.3主要特点(简化)模块化设计，建造结构模块(二种)设备模块(三种)提高安装质量，缩短建设工期14结构模块设备模块15模块化设计，建造161.4电厂总参数电厂设计寿命60年反应堆热功率3400MWt设计地震烈度(地面加速度)0.3g电厂效率(净)32.7%电厂输出电功率(净)1117MWe电厂可利用率93%大量早期释放频率5.94×10-81/ry堆芯熔化频率5.08×10-71/rySG堵管裕量10％换料周期18个月172.电厂布置发电生产设施由5个主要的厂房结构组成:核岛、汽轮机厂房、附属厂房、柴油发电机厂房和放射性废物厂房。这些厂房结构中的每一个均建筑在各自单独的筏基上。核岛由安全壳厂房、屏蔽厂房和核辅助厂房组成,三部分被建造在同一筏基上。182.电厂布置海阳核电主厂区总平面布置图192.电厂布置安全壳厂房安全壳厂房是安全壳容器以及该容器内所含的所有结构；功能是在假想的设计基准事故以后包容气载放射性的释放以及在正常运行期间为反应堆堆芯和冷却剂系统提供屏蔽,其本身也是非能动安全壳冷却系统的组成部分；位于安全壳厂房内的主要系统是反应堆冷却剂系统、安全相关系统。202.电厂布置屏蔽厂房屏蔽厂房是环绕安全壳容器的结构和环形区域。在正常运行/事故状态期间,屏蔽厂房与安全壳厂房的内部结构为安全壳内的反应堆冷却剂系统和所有其它放射性系统和部件提供所要求的屏蔽保护。屏蔽厂房也为安全壳提供所要求的外部人为或非人为的撞击保护。屏蔽厂房是非能动安全壳冷却系统中整体的一部分。212.电厂布置辅助厂房辅助厂房的基本功能是为位于安全壳厂房外的安全相关抗震Ⅰ类机械和电气设备提供保护和隔离。辅助厂房也为设置在厂房内的放射性设备和管道提供屏蔽。位于辅助厂房内的最重要的设备和系统有:主控室、仪控系统、电气系统、燃料吊装区、燃料厂房、乏燃料水池、机械设备区、安全壳贯穿区和主蒸汽、给水阀门隔间。辅助厂房通过附属厂房中的人员、设备闸门与安全壳厂房相连222.电厂布置附属厂房在附属厂房内不含有安全相关设备；提供了通往发电设施的主要人员出入口；包括了用于控制人员出入辐射控制区的保健物理设施；非1E级交流和直流电源系统、辅助柴油发电机及其燃油供应、其它电气设备、技术支持中心和各种暖通空调系统以及用于维护辐射控制区设备的热机械车间。232.电厂布置放射性废物厂房放射性废物厂房内不含安全相关设施。包括了各类废料在处理前的隔离储存设施、移动式废物系统的处理设施和将经处理的废物贮存装入输送和处置容器的设施。242.电厂布置汽轮机厂房汽轮机厂房内不含安全相关设备。汽轮机厂房内安装了主汽轮机、发电机和相关的流体和电气系统。它为主汽轮发电机部件的搁置和维修提供全天候的保护。汽轮机厂房内同样还安装了补给水净化系统。属于核岛的12个非安全相关系统也布置在汽轮机厂房内。252.电厂布置柴油发电机厂房柴油发电机厂房内也没有安全相关设备。柴油发电机厂房内装备了2台柴油发电机，防火墙耐火能力可以达3小时。273.核岛系统3.1反应堆冷却剂系统3.2非能动安全系统3.3辅助系统283.1反应堆冷却剂系统系统描述有两条环路；每条环路由一条热段主管道和两条冷段主管道、一台蒸汽发生器以及与之直接相连的两台反应堆冷却剂屏蔽泵组成。RCS还包括一台反应堆压力容器、一台稳压器、自动卸压系统和反应堆压力容器顶盖放气系统；所有设备都布置在反应堆安全壳内。293.1反应堆冷却剂系统1，2，3级自动卸压阀4级自动卸压阀303.1反应堆冷却剂系统同M310堆型相比，由于两环路布置减少了一个环路，同时由于主泵直接焊接在蒸汽发生器底部而减少了主泵入口管道，AP1000主回路布置得到大幅简化，降低了安全壳内部设备的布置难度。除此之外，AP1000反应堆冷却剂系统应用了LBB设计准则，其设计理念更为先进。简化了主回路的支撑设计，不仅有利于在役检查，而且有利于防止大LOCA事故的发生。313.1反应堆冷却剂系统堆芯和燃料AP1000堆芯有157个燃料组件，堆芯活性区高度为4.267米(14英尺)：堆芯围筒代替堆芯围板，避免了堆芯围板螺栓松动脱落，并且降低中子泄漏，提高了中子的经济性。利用固定式堆内探测器代替可移动探测器，实现堆芯功率分布的在线监测，并且消除了压力壳底部可移动探测器的贯穿件，降低了在严重事故情况下压力壳下封头失效的概率。堆芯设置棒价值比较低的灰控制棒，功率调节和负荷跟踪采用机械补偿运行，取消硼回系统，大大减少了调硼产生的废水量。32堆芯和燃料燃料组件AP1000堆芯采用的燃料（左图），是基于RFA燃料组件和RFA-2燃料组件，并经改进的AP1000燃料，它包括了在抗腐蚀、燃耗性能、抗异物、机械稳定性、热工水力性能和核性能等方面的所有改进。AP1000燃料许可证的最大组件燃耗可达60GWD/tU（法马通的AFA3G燃料许可证的最大组件燃耗为52GWD/tU）。允许的组件最大燃耗越深，可达到的平均卸料燃耗也越深，燃料循环的经济性也就越好。33堆芯和燃料燃料管理AP1000堆芯平衡燃料循环采用如下的策略和技术:堆芯燃料采用低泄漏装载方式(LLLP)轴向设置低富集度区采用IFBA可燃毒物，用于展平堆芯功率分布和燃耗反应性补偿343.1反应堆冷却剂系统压力容器压力容器由圆柱形筒体和半球形下封头、可移动法兰连接的上封头组成。压力容器属于A级，因此它的设计和建造都满足ASMECode,SectionIII,Class1要求。为减少照射脆化的影响，限制了对铜、镍和磷的使用量353.1反应堆冷却剂系统AP1000M310总高度（含CRDM管座）13.94mm13.21mm设计压力172bar.a172bar.a设计温度343℃343℃工作压力155bar.a155bar.a出口温度321.1℃327℃入口温度280.7℃292℃总流量68000m3/h71000m3/h上封头贯穿件数量69＋4261＋4下封头贯穿件数量050出，入接管数量2/43/3安注接管数量20筒体内径3987.8mm3990mm363.1反应堆冷却剂系统蒸汽发生器AP1000的蒸汽发生器是带干燥器的立式、U型管结构蒸汽发生器传热管和管道上部分隔盘使用耐腐蚀性能很好的合金因科镍690，改善了材料可焊性、腐蚀性、机械性等性能。373.1反应堆冷却剂系统AP1000M310总高度22.3mm20.8mm换热面积11500m25430m2二次侧泥渣收集器有无一次侧设计压力172bar.a172bar.a二次侧设计压力82.5bar.g85bar.g换热功率1707.5MWT969MWT蒸汽流量943.7kg/s538kg/s传热管数100254474传热管外径17.475mm19.05mm传热管壁厚1.016mm1.09mm传热管布置三角型方型383.1反应堆冷却剂系统主泵AP1000冷却剂泵是具有高惯性、高可靠性、低维护、高度密封；与蒸汽发生器的两个出口管嘴分别直接相连；为立式离心式屏蔽泵，可以承受整个系统的压力，能承受超基准工况。泵自身还装有振动监控系统，提供高振动警报。393.1反应堆冷却剂系统AP1000M310类型屏蔽泵轴封泵总高6.77m8m额定功率5.15MW6.5MW额定流量17880m3/h23790m3/h扬程11.1bar9.7bar403.1反应堆冷却剂系统主泵AP1000采用屏蔽式主泵。相对于传统的轴封式主泵，屏蔽式主泵在维持反应堆冷却剂系统压力边界完整性方面具有独到的技术优势，能够显著减少减少核电站LOCA事件发生频率。屏蔽式泵是一种高可靠性的泵，其维修间隔可以达到20年413.1反应堆冷却剂系统稳压器立式、圆筒状的容器，上下封头为半球形。采用低合金钢制造，内表面镀以奥氏体不锈钢。AP1000的稳压器体积比普通稳压器大40%左右，相应的瞬态能力增强，减少安全卸压阀的使用。423.1反应堆冷却剂系统主管道冷却剂系统管道由两个相同的主冷却环路构成，包括与压力容器、蒸汽发生器和冷却剂泵相连的冷却剂管道冷端、热端，还包括与冷却剂环路管道和主要设备连接的管道管路的材料是奥氏体不锈钢。每个环路的两个冷端是完全相同的（除测量仪器和小的连接管线），并采用大弯曲半径弯管使得管路流动阻力降低。433.1反应堆冷却剂系统主管道相对与M310机组，AP1000主管道设计在安全方面有两个较突出的优点，即：稳压器波动管的布置更加合理，有利于减少影响主管道寿命的热分层现象。简化了主回路的支撑设计，不仅有利于在役检查，而且有利于防止大LOCA事故的发生。443.2非能动安全系统非能动安全系统非能动安全注射系统非能动主控制室应急可居留系统非能动安全壳冷却系统安全壳氢气控制系统非能动余热排出系统453.2非能动安全系统非能动余热排出系统非能动余热排出系统，可在电厂事故工况下以及反应堆正常余热排出系统失效时，靠自然循环，由余热排出系统的热交换器将堆芯衰变热带走。该系统主要设备是非能动余热排出热交换器和相连的管道、阀门。热交换器布置在换料水箱内，换料水箱作为中间热阱。换料水箱内水吸收衰变热达到饱和温度需要几个小时，如全部水沸腾带走热量，其水量足够数天冷却之用，而且水蒸气进入安全壳冷凝后仍可回收利用。这样，操作人员有足够的时间采取恢复行动。46473.2非能动安全系统非能动安全注射系统（PSIS）非能动安全注射系统的功能：在事故情况（包括失去反应堆冷却剂）下，给反应堆应急注水，冷却堆芯。非能动安全注射系统组成：2只堆芯补水箱每只容积为70.8m3，内装3400ppm的含硼水2只安全注射箱每