（深圳中广核工程设计有限公司核岛所布置室广东省深圳市518000）
摘要：本文对核电厂内部飞射物产生的原因进行分析，并对提高设备设计制造质量和布置设计两方面防护措施进行研究，以实例说明核电厂内部飞射物防护设计的基本情况。该研究为核电厂内部飞射物防护设计提供一定的借鉴意义。
关键词：核电厂；内部飞射物；防护措施
概述
本文规定的防护措施用以确保在内部飞射物事件中，达到并维持安全停堆状态的能力，以保证反应堆冷却剂系统压力边界的完整性以及确保厂外放射性剂量和浓度水平不大于规定的限值。
内部飞射物，是指核电厂内任何地点的承压部件、旋转机械设备以及爆炸等持续能量所加速的物块。对于内部飞射物的防护，应首先考虑从设计上避免飞射物的产生，如果设计上确认无法避免，则考虑通过防护措施进行防护。飞射物防护是否恰当，要通过分析飞射物破坏作用可能引起的后果来确定。当飞射物的破坏作用不能预防或可能产生的后果严重时，若其总概率能减到相当小的程度，则这种风险也是可以接受的。[1]
提高设备设计制造质量，避免飞射物产生
防止高速转动设备损坏
在核电厂有许多大型高速转动设备，例如主汽轮发电机组、汽轮机、大型水泵（如主冷却剂泵）及其电动机、飞轮等。运行时，这些转动部件将会获得相当大的转动能量，当损坏时，转动能量将会转化为转子碎片的迁移动能，成为飞射物产生源。产生上述损坏的原因，一方面可能由于转动部件的内部缺陷，另一方面也可能由于转动超速而引起的应力过大。
为了防止高速转动设备发生故障，产生飞射物，尽可能的降低飞射物产生概率，一般采取以下措施：
（1）保证转动机械本身的设计，如材料选择、速度控制装置以及在所有的设计运行工况下的应力裕量。
（2）确保转动机械的制造过程满足设计意图，无损检测和其他探测缺陷的试验满足要求，以及保证安装的设备满足所有的技术规定。
（3）设置防止破坏性超速的装置，包括安装测量超速的仪器和相关的逻辑设备、供电设备、阀门、断路器或其他最终控制元件，以及对上述仪器定期的校准监测。
采用上述这些手段后，转动机械破损产生的飞射物的概率可明显地降低。
防止高能承压设备损坏
1）的破损
在核电厂中，压力容器依据广泛和成熟的实践来设计和建造来保证其安全运行，并确保在所有设计工况下其应力水平是可以接受的。还依据已批准的程序来监察设计、建造、安装和试验的所有阶段，以验证所有的工作符合设计规范。在调试和运行中应使用监督大纲以及可靠的超压保护系统来确定容器维持在设计限值内，最大限度的降低压力容器破裂的可能性。
2）控制棒弹出
反应堆中吸收中子的控制棒插入堆芯或抽出堆芯，控制棒的行程罩壳形成反应堆压力容器的延伸部分。在反应堆压力容器内由于高压流体的存在，设计中通常假设有一个行程罩损坏，而由于其中流体推力的作用，使控制棒弹出堆芯、造成“弹棒”事故。弹棒事故不仅可能引起反应性瞬变和冷却剂流失事故（LOCA），也有可能产生飞射物，从而造成重大的损坏。
因此，为降低控制棒的弹出概率，使其达到可以接受的程度，必须设置特殊的装置来限制控制棒，使其在事故情况下能扣住控制棒和驱动组件而不弹出。
常用的措施是在控制棒驱动机构上，设置一套机电传动装置，其中三个电磁线圈通过销爪与传动轴上的螺纹配合作用，使传动轴和控制棒束作步进式移动，同时也对控制棒束及其传动机构进行限制，防止其向上窜动、弹出。
防止气体爆炸
当易爆气体可能在容器或管道系统内积聚，或泄漏到通风不良的场所时，浓度达到爆炸浓度时，则气体爆炸产生飞射物源，比如氢爆。
防止气体爆炸产生的飞射物，首先通风系统要设计和运行可靠，以及对含有易爆炸气体的封闭容器内的大气进行监测，可以有效地减少气体爆炸的概率。此外，高压气体容器放置在远离重要靶物的地方，减少发生破裂事故时的飞射物影响后果。
防止人因失误
压力或速度控制设备的误操作会导致超压或超速事故，随之产生飞射物。例如：运行人员的差错会导致汽轮发电机丧失负荷，从而引起超速。因此，通过培训和采用合适的操作规程，以减少运行人员差错的后果。
通过布置设计，降低飞射物影响后果
在核电厂的设计阶段中，采用多种措施为安全相关的系统和构筑物提供足够的隔离，对可能损害其功能的内部飞射物进行防护。下述的几项布置设计措施均可以作为内部飞射的防护措施，比如电厂布置、设置实体屏障、采用空间分隔等
电厂布置
电厂布置的基本考虑是将关键目标对象布置在与潜在飞射物来源不同的电厂区域内。在关键目标对象与潜在飞射物来源处在一个区域的地方，应当尽量将飞射物或目标对象重新定位在结构墙的另一边。
另外，当结构墙作为承重和飞射物屏障双重作用时，必须对其结构强度进行分析，抗飞射物的屏障和结构设计要承受和吸收飞射物的撞击荷载，以防止损坏结构、系统和部件。
钢筋混凝土屏障的穿透深度采用《核岛土建工程的设计和施工标准（RCC-G）》中给出的穿透公式进行计算[2]。
根据穿透公式可计算出墙体的最小厚度，飞射物屏障除了要满足墙体的最小厚度要求外，还要考虑其他设计要求，如放射性屏蔽要求，在发生管道甩击时的完整性要求等。
针对于从电厂布置上防护飞射物的方式可以在主汽轮机发电机组布置上得以体现，比如，使控制室处在与汽轮机同轴线的一个圆锥体内,也就是汽轮机厂房里汽轮机轴线在反应堆厂房的径向，这样的布置可以大大地减少汽轮机转子直接撞击主控制室的概率。
实体屏障
在电厂布置设计的阶段，在飞射物源和靶物之间设置实体屏障，是减少飞射物击中靶源的概率最直接设计方法。实体屏障设置在飞射物来源和目标对象间最可能的飞行路径上，或将飞射物来源或目标对象整个包裹起来。飞射物屏蔽能够将飞射物的破坏能量降至零。[3]
核电厂的飞射物屏障通常由钢筋混凝土或钢板组成，此外也可采用如编制钢丝网或飞射物便向器等。一般来说，屏障最好设在飞射物源处，这不仅保护所有可能的靶物，而且消除了对散射的可能。采用屏障措施进行飞射物防护，是在核电站设计中最常用的方法，例如：
1)围绕反应堆冷却剂环路设置的实体屏障
一回路压力边界隔离阀以及反应堆冷却剂回路布置在飞射物防护区内或在为特定阀门设置的阀门间隔间里。确保不会因飞射物破坏反应堆冷却剂系统压力边界。这个方法还能同时确保飞射物不会损坏提供主放射性边界（反应堆冷却剂系统压力边界）和次级放射性边界（安全壳）的系统或构筑物。因此，三个反应堆冷却剂回路和蒸汽发生器的下部用混凝土结构屏障物理分隔开。
2)在控制棒组件（RCCAs）上设置的实体屏障
RCCAs在近似155bar压差的条件下从堆芯中弹出。假想在事故初始阶段，RCCA是完全插入的，其轴不断撞击棒束的导向支撑板底部。由于不断撞击，在连接RCCA和棒束控制器的耦合器上的防挠度装置发生破裂，由此导致了棒束控制器完全失去对RCCA的控制。因此，在反应堆压力容器上方安装了钢筋混凝土板，可以作为飞射物的防护屏障。
3)围绕稳压器安全阀设置的实体屏障
稳压器安全阀与稳压器一起被掩蔽，在这些区域的钢筋混凝土的设计将稳压器安全阀包围，确保防御飞射物损伤安全壳。
空间分隔
基于多重设备设置独立且相互分隔，以有助于消除共同外因引起的多重故障，通常做法是在多重安全设备之间设置空间分隔[4]，空间分隔即将不同系统系列布置在不同的厂房分区中，包括供电、供水系统和其支持系统，分区之间通过空间分隔。比如：
安全注入和余热排出系统（RIS）的阀门故障。RIS分为3个系列，均布于反应堆厂房，在空间上分隔，分配给反应堆冷却剂的3个环路。
对于PTR系统来说，通过空间上的分隔，飞射物只能影响两列PTR冗余系统及其相连的设备冷却水系统（RRI）中的一列。在两列PTR系统因飞射物影响而故障时，设计了相应的保护方法绝对避免出现第三列PTR系统同时故障的状况。此外，第三列PTR系统由布置在C安全厂房的独立中间冷却系统提供冷却。三列PTR系统采用单独分开布置，从而避免了三列系统同时被飞射物损坏的风险。
此外，为了降低因内部飞射物而导致安全壳压力边界功能丧失的可能性，安全壳隔离阀的布置应在合理的前提下尽可能靠近安全壳，并留有一定的检修空间。这样就能排除来自相邻系统的飞射物对其的风险。
结论
本文通过对核电厂内部飞射物产生原由进行系统性阐述，采用纵深防御的方式，先从加强设备设计制造质量和防止人因失误方面，降低飞射物产生的概率，再从电厂布置，设置实体屏障和空间距离等方式，进一步降低飞射物产后后的影响后果，并以实例表明上述防护措施的可行性，为后续核电项目内部飞射物防护设计提供借鉴和指导。
参考文献：
[1]HAD102/04-1986，核电厂内部飞射物及其二次效应的防护
[2]RCC-G2000版，核岛土建工程的设计和施工标准
[3]GB/T13285-1999,核电厂安全重要系统和部件的实体防护
[4]EJ/T570-1999,压水堆安全重要流体系统单一故障准则