刘 刚 王 丰 詹阳烈 谢永诚

（上海核工程研究设计院 上海 200233）

控制棒驱动机构抗震试验验收准则研究

刘 刚 王 丰 詹阳烈 谢永诚

（上海核工程研究设计院 上海 200233）

对控制棒驱动机构在地震工况下的落棒性能要求，国内未形成清楚的认识，而AP1000 控制棒驱动机构抗震试验需要给出相应的验收准则。本文对国内相关法规和AP1000控制棒驱动机构执行安全功能的具体要求进行了研究，结合国内外已开展的同类试验的结果分析，提出AP1000控制棒驱动机构抗震试验的验收准则应与AP1000安全分析报告中对控制棒驱动机构的安全功能要求一致。室温无流量下控制棒驱动机构抗震试验的验收准则应为地震前与后的落棒时间不超过安全分析报告中确定的限值。

AP1000，驱动机构，抗震试验，验收准则

商用压水堆控制棒驱动机构(Control Rod Drive Mechanism, CRDM)是一种电磁驱动的机械装置。控制棒驱动机构的作用是在垂直方向定位控制棒组件(Control Rod Assembly, CRA)。通过控制棒驱动机构改变或保持控制棒组件在堆芯中垂直方向的高度，实现反应堆的启停，并在反应堆正常运行中调节或维持堆芯的功率水平以及在事故工况下响应指令快速落棒实现停堆。

AP1000反应堆所用的L-106AP型控制棒驱动机构由美国西屋公司设计。西屋公司表示该型号的控制棒驱动机构是基于经验证过的已广泛应用于西屋设计的压水堆核电厂的L-106A型控制棒驱动机构的设计，只是作了局部的改进，应属于成熟设计。

国家核安全局(National Nuclear Safety Administration, NNSA)在颁发AP1000依托项目“三门核电厂一期工程1、2号机组建造许可证”[国核安证字第0902号]中，要求三门核电有限公司“在NNSA颁发建造许可证后半年内，进一步论证控制棒驱动机构(CRDM)安全分级和抗震分类的合理性，并说明其应有的安全功能是如何得到满足的”。在颁发“海阳核电厂一期工程1、2号机组建造许可证”[国核安证字第0906号]第九(一)条中要求山东核电有限公司在NNSA颁发建造许可证后1年内“按照控制棒驱动机构需是安全级、抗震I类的要求，提供控制棒驱动机构的设计报告”。

针对该型号控制棒驱动机构的安全分级和抗震要求，西屋表示满足美国核管制委员会(Nuclear Regulatory Commission, NRC)的设计认证，无需开展进一步的抗震验证。

由于西屋提交给业主关闭建造许可证条件的支持性材料，主要是其中涉及控制棒驱动机构的抗震验证部分，西屋仅提供了日本三菱公司反应堆本体抗震试验公开发表的论文来加以论证，但却无法提供详细的试验报告，不足于信服地证明该型号控制棒驱动机构能满足规范要求的抗震要求，为此，两家业主委托上海核工程研究设计院开展该型号的控制棒驱动机构的抗震验证试验。

1 规范、标准要求

目前国内针对控制棒驱动机构的分级和抗震要求主要依据的国内法规和标准如下：

(1) HAF 102-2004 核动力厂设计安全规定；

(2) HAD102/03-1986，用于沸水堆、压水堆和压力管式反应堆的安全功能和部件分级；

(3) HAF•J0066-1997，压水堆核电厂物项分级的技术见解；

(4) GB/T 17569-1998，压水堆核电厂物项分级；

(5) HAF•J0053-1995，核设备抗震鉴定试验指南；

(6) HAD102/02-1996，核电厂的抗震设计与鉴定。

HAF 102 第4.2.2条[1]“为了保证安全，在各种运行状态下、在发生设计基准事故期间和之后，以及尽实际可能在发生所选定的超设计基准事故的事故工况下，都必须执行下列基本安全功能：(1) 控制反应性；(2) 排出堆芯热量；(3) 包容放射性物质和控制运行排放，以及限制事故释放。”

HAD102/02-1996和HAF•J0053要求核电厂中所有抗震Ⅰ类设备均应进行抗震鉴定。这些抗震Ⅰ类设备应能承受SL-1和SL-2载荷，并保证在地震发生时或(和)地震后均能履行其安全功能。HAD102/02[2]在4章节对抗震鉴定的方法给出了明确说明，即“安全重要物项的抗震鉴定可采用直接法或间接法。直接法可利用下列方法中的一种或几种来进行：分析、试验、经验或类比，也可采用这些方法的综合”。而对试验鉴定的要求(HAD102/02第4.3.21节)是“对于能动物项，作为试验程序的一部分，一般有必要预先规定功能要求，多数能动物项要求在地震激振过后履行其能动功能。但是，如果要求它们在地震激振过程中或可能的余震过程中履行能动功能，则必须在规定功能试验要求时考虑这一要求。还必须注意到功能性试验与使用时所要求的安全功能是一致的”。

2 国内、外控制棒驱动机构抗震试验实践情况

从目前国内自主设计的商用核电站(秦山一期300 MW、秦山二期600 MW、实验快堆)的控制棒驱动机构均依据对国内法规有关设备分级及抗震要求的理解进行控制棒驱动机构或整个驱动线的抗震验证试验。

秦山一期限于当时的国内实际情况，上海核工程研究设计院与中国水利水电科学院合作利用中国水利水电科学院的震动台完成CRDM地震作用时和作用后的可运行性验证性试验。抗震试验装置示意图见图1。试验结果表明驱动机构在安全停堆地震(Safe Shutdown Earthquake, SSE)期间落棒时间与地震前后落棒时间相比增加了10%，满足安全分析报告中限值并留有裕量。

中国核动力研究设计院利用其多点激振台架进行了秦山二期600 MW堆的驱动线、中国实验快堆控制棒驱动线和中国先进研究堆控制棒驱动线抗震验证试验。中国实验快堆控制棒驱动线抗震试验装置图见图2。这些试验结果表明驱动线在SSE地震期间落棒时间均满足安全分析报告中规定的限值要求。

图1 秦山一期CRDM抗震试验装置图Fig.1 CRDM seismic test unit for Qinshan phase 1.

图2 中国实验快堆控制棒驱动线抗震试验装置图Fig.2 CRDS seismic test unit for China experimental fast reactor.

在国际上，美国、法国、日本、意大利等国均开展过类似的控制棒驱动系统(Control Rod Drive System (CRDS))的抗震试验验证。法国Supper Phoenix CRDS抗震试验装置示意图见图3。意大利快中子堆CRDS抗震试验装置示意图见图4。

日本三菱公司于1985年开展了反应堆本体抗震试验，该试验模型对于反应堆堆内构件的堆芯部分是全比例模型。试验模型包括45组燃料组件，2个控制棒束，2个导向筒，2个控制棒驱动机构，堆芯支承结构(包括下部堆芯支承结构和上部堆芯支承结构)，压力容器(部分)和上部结构。试验装置示意图见图5。在该试验中，进行了在1.5倍SSE地震工况下的落棒测试，数据表明在地震期间落棒时间增加量也在安全分析报告的限值内。

图3 法国Supper Phoenix CRDS抗震试验装置示意图Fig.3 CRDS seismic test unit for France Supper Phoenix.

图4 意大利快中子堆CRDS抗震试验装置示意图Fig.4 CRDS seismic test unit for Italy fast neutron reactor.

3 AP1000抗震试验的验收准则

控制棒驱动机构作为反应堆反应性控制手段之一，其执行的安全功能是承压边界的完整性和安全落棒。在国内外与事故分析相关的法规、导则和标准中，没有明确要求事故分析中的落棒时间叠加考虑地震影响，美国NRC也没有此项要求，除非该项要求被列入核电厂执照申请的基础之中。

作为AP1000依托项目设计方西屋公司认为设计基准事故(Design Basis Accident, DBA)叠加地震的发生概率极低，在风险导向的事故分析中不需要考虑地震对控制棒落棒时间的影响。目前国内外的核电站的电站设计中均设置有地震监测系统，但该系统并没有与安全停堆系统直接联锁，即在发生超过运行基准地震(Operating Basis Earthquake, OBE)时，不会自动触发停堆，而需要电站操作人员根据电站的实际运行情况作出是否需要停堆的判断，然后按操作规程进行停堆前的设备状态检查，在确定停堆设备可用的情况下执行手动停堆，或者反应堆某些运行参数达到了安全阈值而触发安全停堆信号而执行安全停堆。在AP1000的设计中已取消了OBE，而SSE属于D类事件，已无落棒时间的要求。

基于美国NRC没有强制法规要求，所以美国西屋公司在AP1000依托项目核电厂事故分析所采用的控制棒落棒时间没有考虑地震载荷带来的不利影响。而在很多以往国内的压水反应堆(Pressurized Water Reactor, PWR)核电厂事故分析中，均按国家核安全局的要求，保守地考虑了安全停堆地震对控制棒落棒时间带来的不利影响，所以又单独地进行了SSE地震工况下的安全分析，给出了在SSE地震工况下的落棒时间的限值。

AP1000控制棒驱动机构的设计规范中明确了其设计成能承受地震的影响而保持其安全功能的能力。AP1000控制棒驱动机构中承压部件属于安全1级部件和抗震Ⅰ类，作为一回路冷却剂压力边界的一部分，其设计和制造按照ASME B&PV NB (American Society of Mechanical Engineers, Boiler & Pressure Vessel Code-Subsection NB)1级部件的规范要求执行，其结构完整性贯穿整个设计寿期，包括了SSE地震工况。钩爪部件由于需要在设计基准事件下执行落棒停堆功能，属于安全3级部件，抗震Ⅰ类。由于AP1000电站抗震设计准则明确由于DBA与SSE地震同时发生的概率极低，故不考虑DBA与SSE地震叠加，且SSE地震本身不要求反应堆引入负反应性，所以不要求在SSE地震时控制棒驱动机构执行安全落棒的功能，而要求在地震后如发生DBA事件时仍保持执行落棒的安全功能。

基于上述原因，认为AP1000控制棒驱动机构在进行抗震试验前明确的抗震试验的验收准则应是AP1000控制棒驱动机构能承受地震的影响，即其结构应能承受SSE地震引起的载荷，其结构因地震载荷造成的永久变形不能影响到地震后的安全落棒功能的执行，即在SSE地震后若发生DBA事件时能快速落棒，并且其落棒时间不应超出安全分析报告中给出的限值。因此，在开展后续的控制棒驱动机构的抗震试验时，针对控制棒驱动机构设备本身而言，抗震试验验收准则应为在SSE地震前与后其释棒延时时间应满足小于150 ms的规定。针对控制棒驱动线，其验收准则应确定为在SSE地震前与后落棒时间不应超过安全分析报告中给出控制棒驱动线落棒时间限值2.7 s。

1 《核动力厂设计安全规定HAF 102》[S]. 国家核安全局, 2004 HAF102 Safety code for nuclear power plant design[S]. National Nuclear Safety Administration, 2004

2 《核电厂的抗震设计与鉴定 HAD102/02》[S]. 国家核安全局, 1996 HAD102/02 Seismic Design and Verification of Nuclear Power Plants[S]. National Nuclear Safety Administration,1996

Research on control rod drive mechanism seismic test acceptance criteria

LIU Gang WANG Feng ZHANG Yanglie XIE Yongcheng
(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200233, China)

Background: There is no clear requirement on the rod drop performance of Control Rod Drive Mechanism(CRDM) in seismic condition. Purpose: Acceptance criteria of AP1000 CRDM seismic test need to be determined. Methods: Related regulations and the safety function of AP1000 CRDM are investigated, as well as the conclusions drawn from the CRDM seismic tests worldwide. Results: Acceptance criteria of this test should be in accordance with the limit is in AP1000 Nuclear Plant Safety Analysis Report. Conclusions: Drop time of control rods in AP1000 CRDM seismic test at the room temperature without flow is 2.7 s before and after Safe Shutdown Earthquake (SSE).

AP1000, CRDM, Seismic test, Acceptance criteria

TL375

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040607

刘刚，男，1968年出生，1990年毕业于上海工程技术大学，从事反应堆本体设计

2012-10-31，

2013-03-07

CLC TL375