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别致的抑压设计
跟压水堆相比,沸水堆的安全壳可谓别具一格。沸水堆核电厂通常为双安全壳配置,最外层的反应堆厂房又叫二次安全壳,主安全壳则由干井、湿井以及干井与湿井之间的连通管道组成。比如在Mark Ⅰ型安全壳中,干井为“灯泡状”钢制压力容器,除了上部可拆卸封头外,其余表面均用混凝土衬托;干井内布置有反应堆压力容器、给水管道和再循环回路等设备。湿井为环形圆筒状钢制压力容器,内装有几千吨的水,当干井内的反应堆冷却剂系统发生管道破裂时,泄漏的冷却剂闪蒸为蒸汽,使得干井内的压力和温度升高,蒸汽将通过连通管道排入湿井。另外,湿井可作为冷却堆芯的短期热阱,当反应堆压力容器的压力和温度过高时,可以打开主蒸汽安全释放阀直接把蒸汽排放到湿井内冷凝。因此,湿井具有抑制压力功能,故又称为“抑压池”。
Mark Ⅰ型主安全壳示意图
其实,通用电气公司最初开发的沸水堆核电厂,安全壳并不是这样设计的。1956年和1960年分别开建的美国德累斯登核电厂1号机组和大岩角核电厂,都是采用压水堆上常用的大型干式安全壳,而且都是球形的。
最早的沸水堆核电厂球形安全壳
1950年代中期,美国军方启动陆军核动力项目,探索开发易于组装和维护的小型核动力发电供热站。1962年3月,固定式小型压水堆核电站SM-1A在阿拉斯加的格里利堡建成投运。由于地处偏远、人迹罕至,建造过程非常困难,为了缩小安全壳的体积并减轻重量以及降低造价,反应堆供应商美国机车公司设计了一种非常新颖的安全壳,在其中特意配置了一池水,用以事故情况下冷却蒸汽和抑制压力上升。
美军在阿拉斯加的SM-1A核电站
受此启发,通用电气随后便在自己设计的沸水堆上应用这种池水抑压的理念。1963年,电功率63MW的洪堡湾(Humboldt Bay)电厂3号机组建成投运,成为第一个具有抑压安全壳的反应堆,也就是Mark Ⅰ型安全壳的前身。后来,通用电气在实践中不断地改进干井-湿井的抑压设计,相继开发了Mark II和III型安全壳。
美国洪堡湾电厂3号机组
沸水堆安全壳进化示意图
由于采用了抑压设计的理念,所以沸水堆安全壳中起关键作用的干井,体积要比压水堆安全壳小得多。比如,压水堆上大型干式安全壳的体积,几乎是Mark Ⅰ型安全壳的10倍。较小的空间设计,虽然可以降低建造成本,但也使得沸水堆抵御氢气爆炸或燃烧的能力大为减弱,因为一定程度上而言,安全壳内气体的滞留能力与其容积成正比。2011年发生的福岛核事故,多个机组相继发生氢气爆炸,应该说与Mark Ⅰ型安全壳的设计有直接关联。
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不断优化的设计
安全壳的设计理念,无疑是正确的。既然人类无法预见并防止导致堆芯熔化与放射性释放的一切可能的事故,因此把反应堆置于一个耐压、防漏、抗震的安全壳里,在放射性物质与环境之间竖立一道关键的实体隔离屏障。
然而,完美的安全壳并不存在,设计并建造一个零泄漏的安全壳在工程实践上是不现实的。美国原委会在1962年颁布的联邦法规10 CFR 100《反应堆选址准则》,首次对安全壳的设计提出了要求。法规规定安全壳必须抵御冷却剂丧失事故导致的峰值压力并保持完好,将放射性物质向环境的释放限制在事先确定的设计泄漏率以下。技术专家们认定压力容器的破坏是不可信事故,所以便把冷却剂丧失事故选为最大可信事故,即后来所称的设计基准事故,因此安全壳也就不需要考虑承受压力容器完全破裂引起的载荷变化了。
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