AP1000电厂中实施了哪些重大创新？

AP1000电厂中实施了哪些重大创新？

本文为《核电厂期刊》编辑Newal Agnihotri的电话采访。本文转载自“西屋核能”撰文：卢卡·奥瑞尼 西屋电气公司

Luca Oriani：

作为西屋电气公司的电厂工程和许可副总裁，Luca Oriani博士负有西屋电厂的设计工程运行责任，其中包括对中国和美国所有正在进行的AP1000®项目的设计和工程的监督，以及AP1000核电厂的设计权限责任。

Oriani博士在西屋工作的17年间，从出任新电厂研发设计工程师开始，担任过各种领导职务。他曾致力于先进核安全分析方法的开发和国际许可，并在任现职之前，领导了AP1000电厂流体系统和管道的设计工作。

Oriani博士拥有一项专利，并就非能动核电厂及其安全分析的主题发表了40多篇技术论文。他还是经认证的一类客户领导者，并获得六西格玛和精益流程设计的黑带。

Oriani博士拥有意大利米兰理工学院的核工程博士学位。

第三代+核电厂

1、什么造就了AP1000 成为一项特殊设计?

上个世纪80年代，我们已经开始开发AP1000®核电厂，这远远在我工作之前：西屋数十年核技术的开发正是AP1000设计的基础。你看看当前几代核电厂，他们的技术都是强大、安全和可靠的。这些电厂提供安全和清洁的电力，并把对环境的影响最小化。

AP1000电厂的研发是民用核技术发展中的重要一步。 AP1000电厂的关键特征是采用诸如重力和通过传导、对流和辐射进行和热传递的非能动安全方法，代替用交流电源作为动力的复杂冗余安全系统。

当前这一代核电站的根本特点之一是依靠交流电，使电厂处于安全状态并消除余热。在设计AP1000电厂时，我们希望在更简单和更稳健的设计范围之内，开发一种解决方案，不仅可以简化电厂设计，还可以提供一种具备减轻潜在灾难性环境事件(地震、飓风、海啸等)能力的设计。这一概念就是AP1000电厂的核心设计理念。AP1000电厂不需要交流电源来实现安全停堆，也不需要在延长时间内建立和维护安全停堆模式，同时带走核燃料产生的衰变热。一旦不依赖交流电源，则可解决需要交流电源来带走衰变热的悖论。AP1000电厂的设计是不需要交流电源的，只需要物理定律和直流电池、压缩气体和重力的储存能量来带走衰变热，这就是实现简单性和稳健性的原因所在。

此外，AP1000电厂是基于自开始运行起工作寿命60+多年的设计，并设计为更强的电网适应性，可以更好地适应具有各种不同发电源的现代电网。例如，AP1000电厂设计为在100%电网甩负荷后继续运行 - 一旦故障被清除，AP1000电厂能够快速为提供电力支持电网。而目前各核电站会因电网故障而跳闸，并且在事件发生后数小时内无法提供电网支持。

2、请描述AP1000数据分析的应用。

总的来说，数据分析一直是整个核工业致力发展的领域，也是西屋投资的重点之一，并且是在多个不同领域处于最前沿的投资项目。具体来说，我们开发了用于分析诸如泵、电机、热交换器等组件数据的工具，以优化其维护活动。

我认为AP1000电厂中关于数据分析的一个关键方面是，我们设计的AP1000电厂的仪表和控制系统以及电厂基础设施，与在运核电厂数据分析的成熟度是并行的。与在运电厂相比，AP1000电厂有一个主要的优势，大部分在运电厂在获取额外的组件数据，以执行必要的分析方面都存在着挑战;而AP1000则能够在电厂仪表和控制系统及电厂基础设施中开发AP1000电厂数据分析。我们能够利用现代信息技术确保我们拥有收集大量数据的嵌入式功能，而这些数据可在现代数据分析中使用。

另一个关键方面是电厂设计将数据集成到电厂3D模型中。电厂信息和控制系统技术使业主能够有效地收集和传播所有可操作的信息至运行和维护人员的手中。 AP1000电厂不仅增加了额外的传感器功能，而且还增加了基础设施，以便在正确的时间将正确的数据分发到正确的位置。

3、现有电厂的数据可用吗?是否可以外推用于AP1000?

是的。AP1000电厂的绝大多数组件都依赖于数十年的经验。例如，AP1000电厂蒸汽发生器的设计概念与我们在众多电厂不同应用中蒸汽发生器使用的设计概念相同。反应堆燃料、反应堆容器、堆内部构件、疲劳监测系统、管道等，所有这些基本组件 - 与我们在役电厂中部署的最现代化设计相似(如果不相同的话)。只有数量有限的首创组件，通过广泛的测试程序，我们为这些组件开发出适当的数据。

AP1000电厂的另一个优势是按照适用于所有AP1000机组的标准方法分层次地组织信息。这种方法将使世界上不同AP1000电厂的不同运营商更方便地共享信息，也更便于西屋公司开发具有各电厂适用性的解决方案和选项。例如，如果了解安全壳内的核岛管道设计，就会发现中国的AP1000机组和美国的Vogtle机组之间的差别很小。其数据、文档、标签ID号，所有内容完全相同，便于共享信息。我们之所以这样做的原因之一就是当我们考虑将新电厂系列推向市场时，我们希望将我们与电厂所有者之间创建和累积可分享的数据和经验教训最大化。

4、福岛后改进项有哪些?

自设计开始以来，AP1000电厂安全概念的主要目标之一是最大限度地提高电厂应对所谓的极端环境事件的能力。当我们处于设计的早期阶段时，我们考虑的一个关键事件是1992年的安德鲁飓风。我们还考虑了那些可能严重损害电厂周围整个基础设施的灾难性自然事件，这些所指的是可达性、电力、供水等。为了解决这个问题，先进的核电站设计应该是可以自给自足和尽可能自主的电厂，至少在三天内无需任何动力或场外干预， 甚至在这三天之后只需要极少的支持。在福岛核事故之后，以及之后的《多元化且灵活的应对能力战略》(FLEX)核管会(NRC)法规中，对AP1000电厂没有进行任何重大修改，因为这些概念已经嵌入到AP1000的设计中。实际上，部分FLEX要求是通过NRC在90年代对非能动核电厂设计进行审查得出的结果并进行了充实和完善。AP1000电厂的独特之处是在于其设计的全电厂断电是作为一个设计基准事件，而不是作为超设计基准事件。

在失去交流电源的情况下，即使假设遇到灾难性事件，不仅失去电网连接，而且失去备用连接的以及所有现场备用的柴油发电机系统，正如我之前所说，AP1000反应堆也可自行停堆，并且电厂处于安全状态，可以在没有任何干预或任何交流电源的情况下维持至少72小时。即使在三天之后，与上一代电厂的主要区别在于，AP1000电厂的设计仅需要大约28 kW的功率即可用于长期支持，而相当规模的核电厂则需要几百kW。我们认为将电力需求降低到非常小这一点非常重要，原因是一旦电力需求减少，那么只需要有非常小的辅助柴油发电机即可。如果失去了进入现场的所有途径，甚至可以用直升机运输这些发电机。他们很容易从现有的紧急事件基础设施中获取。

5、就设备和仪器而言，哪些主要系统与安全相关?

鉴于在篇幅限制，我们无法讨论每项电厂安全功能，我可以介绍其中的一部分。首先是拥有I&C - 仪表和控制安全系统。安全I&C系统是数字保护和监控系统(PMS),该系统是围绕着一个四取二安全驱动逻辑构建的。该数字系统可在电厂中提供所有与安全相关的控制。AP1000电厂还有一个称为多样化驱动系统(DAS)的备用纵深防御硬接线系统，包括特定功能，即使是在假定数字系统故障的情况下，可以作出关键安全响应。当你注意到主要流体系统时，会看到一个非能动堆芯冷却系统或PXS，其设计用于安全地从反应堆堆芯去除衰变热，并包括自动地非能动减压和水补充功能。我们还有非能动安全壳冷却系统，该系统可以从安全壳中移除热量，并确保无限制地运行非能动堆芯冷却系统的能力，而无需任何水注入进安全壳。

另一个关键的非能动系统是主控制室可居留系统：我们的主控制室设计为使用储存的空气和直流电池，即使出现多个事件导致长时间的全厂断电，也可以在没有电力的情况下保持可居留性。当然，我们还有乏燃料冷却系统，这是另一个完全非能动安全系统，可为乏燃料池提供有效的长期冷却。安全系统内实质上重要的主要类别包括：I&C安全系统、堆芯冷却、乏燃料池冷却、安全壳冷却系统、及主控制室可居留系统。

需要了解的一个重要方面是AP1000电厂还拥有两台优质、高可靠性的现场柴油发电机，可提供纵深防御支持正常的电厂运行，并在交流电源断电时对大多数事件提供正常响应，即使在场内场外所有交流电源失去的情况下，其所具备的非能动安全系统仍可为电厂提供独特的事件管理的能力。

6、AP1000控制部分是否更加用户友好?

答案是肯定的，比当前的核电站是更加用户友好的，因为现代控制系统考虑了一定程度的人机界面，这在20世纪70年代或更早设计的前几代核电站中是无法实现的。实现改进人机界面主要得益于非能动系统和数字控制系统之间的卓越协同作用。当设计控件时，我们希望开发出一种对在专业化和个人环境中伴随数字技术成长的一代人来说更自然的系统。主控制室主要设计为软接口工作环境 - 带有显示器和软操控制，允许操纵员主要通过与平板监视器互动来控制电厂。相比之下，典型的在运核电厂控制室中大约有1000到1400个不同的传统控制开关。而AP1000电厂主控制室只有大约70个控制开关，仅仅用于关键安全功能。其他一切均为现代化工作环境，通过基于计算机的软操控制装置来控制电厂运行。

我最感兴趣的是计算机化规程系统(CPS)的工作原理。在AP1000电厂和西屋电气的数字架构中，CPS实际上嵌入在整个I&C架构中，有效地成为运营商可能使用的一个有关潜在事件、问题及响应方法的概要。它不仅仅是计算机上的文件，实际上也远非各程序的静态文档。CPS要发挥的作用是将程序与电厂的I&C架构集成在一起。在程序进行每个步骤时，CPS均要评估电厂状态，提供转换到下一个适当程序的建议，执行必要的并行信息，提醒操纵员采取要求的操作，并将程序的每个步骤链接到适当的软显示和相关的软控制器。这样的设计实际是给操纵员提供在线信息和帮助。

7、从AP1000获得了哪些经过修改，可用于现有的电厂的经验教训?

先进数字控制系统，包括网络安全相关事项，是现有电厂数字化升级的实例。部分AP1000电厂针对极端事件的应对和减缓策略已经为西屋开发的用于支持在运电厂“多元化灵活应对策略”(FLEX)要求的关键产品和服务，提供了信息并丰富了其内容。

另一个例子是风险告知设计。西屋开发的AP1000概率风险评估很早就被用作AP1000电厂的设计工具。该技术在风险告知的应用方面已经影响了许多现有产品和服务。另一个方面，从美国技术的角度来看，AP1000电厂是第一个实际运用更多现代核建筑和设计规范的电厂。这有助于确保开发和协调这些新规范的许可要求。例如，美国混凝土协会(ACI)“核安全相关混凝土结构的规范要求(ACI 349-01)”提供了现代结构建筑的标准，而电气和电子工程师协会(IEEE)“IEEE 384- 2008 IEEE核电厂安全级电气设备和电路独立性准则”确定了电气分隔要求的标准。其他工程服务方面，以安全性为例，在多个国家，AP1000电厂都是第一个电厂设计遵守并获得许可、能满足9/11后要求的核电厂。这包括物理安全、飞机撞击保护和网络安全。这为我们开发和测试符合AP1000电厂新法规的不同方法方面积累了丰富的经验。

8、AP1000是如何应对网络安全挑战的?

我们始终考虑安全性分两个方面：网络和物理。两者都是AP1000电厂开发的关键特征。通俗地说，就物理安全而言，这是首个真正完全融入并满足9/11事件后监管环境中所有全新要求的核电厂。就网络安全而言，在乔治亚州Vogtle核电厂部署的机组实施了联邦法规第10章及其第73.54条“保护数字计算机和通信系统及其网络” 的要求，包括针对关键数字资产、关键数字设备或资产的安全配置实施，以及安全监控系统的仪表和控制方法的设计和交付的详细规范。同样，该设计的一个关键方面是分层的、纵深防御的安全方法概念，这在安全性方面提供了独特的优势。具体包括多样化和硬接线备份系统，确保实现我前面提到的关键安全功能的触发，同时还可以实现关键资产的最小化和稳健性。

9、AP1000中实施了哪些重大创新?

这是首个依靠非能动安全系统响应所有电厂事件的核电厂。我要提到的另一项创新是在核岛内广泛使用的模块化建设。这的确是在应用中日趋成熟的概念，但在最大限度地发挥场外建设和制造的效益方面，这种概念其实从美国核工业、军事和民用应用中汲取了大量经验教训。AP1000电厂也是首个反应堆冷却系统采用为压水堆设计的屏蔽式主泵的商业电厂。这不仅大大减少了维护作业，而且还无需大量配套系统，最重要的是，消除了注水以保持泵密封件完整性的需要。软操控制装置的广泛使用，即触摸屏和大型数字显示器以及我们讨论过的先进主控制室设计，减轻了操纵员的负担。另一项重要创新是我前面讨论的主控室可居留性，不需要交流电源，只依赖于非能动过滤和储存空气，就可以实现长期安全居留和操纵员保护。