【核电•土建布置】地下核电厂核岛总体布置研究

地下核电厂厂房以丘陵地区中等规模山体地形为基础，采用阶地平埋型式对核岛厂房进行总体布置设计。采用将核岛地下厂房布置在“L”型洞室中和将核岛地面厂房布置在山体边坡外侧的布置方案，在此基础上进行地下厂房设备运输、地面核岛厂房等的总体布置概念。...



【导言】地下核电厂厂房以丘陵地区中等规模山体地形为基础，采用阶地平埋型式对核岛厂房进行总体布置设计。采用将核岛地下厂房布置在“L”型洞室中和将核岛地面厂房布置在山体边坡外侧的布置方案，在此基础上进行地下厂房设备运输及人员通道、管道及电气电缆连接通道，以及地面核岛厂房的总体布置概念。

文章来源︱核动力工程Nuclear Power Engineering

引言



为探索一种具有固有安全性和更高公众接受度的核电发展新途径， 中国核动力研究设计院与长江勘测规划设计研究院联合提出了把地面涉核建筑物置于地下的地下核电厂概念。

地下核电厂设计为核岛厂房提供了一道天然的坚固实体屏障，对于外部自然灾害（飓风、海啸、洪水等）、人为灾害（恐怖袭击、武器攻击等）的防御能力远远优于传统地面核电厂；地震破坏的风险也大大降低；加深了纵深防御层次，从设计上实际消除了大量放射性物质释放的可能性。本文针对置于地下后的涉核建筑物进行核岛厂房总体的合理布局研究。总体布置技术思路



鉴于中国已经拥有了比较成熟的地面核电厂技术，且在《核电中长期发展规划（2005—2020年）》中指出了三代压水堆是未来中国核电厂的主力堆型。因此，概念设计阶段，地下核电厂研究的总体目标为：充分利用中国自主设计建造的600MW级核电厂成熟技术，以秦山核电厂二期或海南昌江核电厂的反应堆及核岛系统为基础，研究开发安全性优于地面第三代核电厂、经济性与地面第三代核电厂相当、拥有自主知识产权的国产化600MW级先进压水堆地下核电厂CUP600。

从工程安全和经济合理的角度考虑，应尽量减小地下洞室规模。核电厂中涉核建筑物与核安全直接相关，应布置在地下。考虑到事故情况下人员疏散、通风、应急操作的要求，将电气厂房拆分成两部分，其中主控室和应急控制室布置在地面，其余部分布置在地下。对地下核电厂核岛厂房的划分如表1所示。核岛总体布置方案



以丘陵地区中等规模山体地形为基础，采用阶地平埋型式对核岛厂房进行总体布置设计。将涉核建筑物布置在山体内；根据非能动系统功能要求，将高位水池及核岛消防泵房布置在山体上部平台；其余厂房布置在山体边坡外侧平台。核岛中涉核建筑物布置在地下洞室中。为满足洞室群围岩稳定的要求，各洞室间需保留足够厚度的岩体，因此地下各厂房之间的布置距离相比地面将大大增加。核岛厂房洞室中，反应堆厂房洞室的跨度和高度均为最大，是影响地下核电厂洞室群布置和埋深的主要建筑。考虑到地下建筑物的抗震要求、极端事故条件下建筑物的防护要求、上覆岩体厚度要求、地应力对洞室稳定性的影响、交通和排水的难度等因素，初步确定地下核电厂反应堆厂房洞室埋深为100 m，其余洞室埋深依据常规地面核电厂相应厂房间标高差设计，设计应满足相关要求。

考虑到地下洞室施工的便利性和洞室的结构稳定性，容纳核岛地下厂房的各洞室采用“L”型布局型式：以反应堆厂房为中心，核辅助厂房、燃料厂房、安全厂房和电气厂房（地下）呈“L型”分别布置在反应堆厂房的两侧。其中，核辅助厂房、燃料厂房、安全厂房依次布置在跨度为30m的组合洞室内，电气厂房洞室与组合洞室垂直布置在反应堆厂房洞室的另一侧。“L型”布置方案将安全厂房、燃料厂房和核辅助厂房并列布置在与反应堆厂房洞室间距为50m、跨度为30m的组合洞室中。由于洞室跨度的限制，各厂房的尺寸较常规地面核电厂厂房尺寸发生了较大改变。各厂房具体尺寸规格见表2。

核辅助厂房顶部布置竖井，与地表烟囱相接。为方便安全厂房与燃料厂房之间的管道连接，将1#安全厂房和2#安全厂房分别布置在燃料厂房的两侧。燃料厂房与反应堆厂房间设有换料通道，用于新燃料和乏燃料的转运。

“L型”布置方案取消了常规地面核电厂的连接厂房，将原连接厂房内的主蒸汽/主给水阀门隔间与电气厂房（地下）合并，一同布置在洞室内，其与安全厂房、燃料厂房、核辅助厂房所在组合洞室呈“L型”布置在反应堆厂房与地面汽轮机厂房之间。

4个地下主要洞室之间布置人员通道、电缆道、通风道以及工艺管廊通道等。在反应堆厂房洞室附近布置卸压洞室。单个反应堆地下厂房所占平面面积为261m×154m。核岛地下厂房“L型”双机组布置见图1。



地面厂房及设施主要有：布置在山体边坡外侧平台的电气厂房（地面）、运行服务厂房、应急柴油发电机厂房、应急空压机厂房和布置在山体上部平台的核岛消防泵房和高位水池等。对于地面厂房部分，根据厂房功能要求，及与地下厂房间相互关系，合理布置各厂房位置。地面主要厂房布置见图2。CUP600双机组布置地面核岛厂房的尺寸见表3。在综合考虑地下洞室及地面建筑物后，CUP600地下核电厂（双台机组）的厂房布置位置示意如图3所示。



2.4.1交通通道设置

为满足地下各建筑物之间货流及人流交通运输的需求，地下核电厂的地下厂房设置设备运输通道和人员交通通道。地下厂房洞室群中的燃料厂房、核辅助厂房、安全厂房、电气厂房内的设备主要通过呈“U”型布置的地下厂房对外交通通道运输（通道路面标高为+0m）。对于双堆布置方案，地面设计有3个进（出）口，通道分别由地下洞室群东、西两侧进入山体，在山体内最里侧贯通，沿程经过电气厂房、核辅助厂房、安全厂房和燃料厂房。各厂房洞室均设支洞与对外交通通道连接，以满足各厂房洞室的交通及消防要求。暂定对外交通通道尺寸为10m×10m，各支洞尺寸为7m×7m。反应堆厂房内部设备的运输通过设备运输通道实现。设备运输通道设有气闸门，在电厂正常运行期间气闸门关闭。根据人流、一般物流与放射性物流不宜混行的要求，采取物理隔离将设备通道和人员通道分隔。设备运输通道可以兼作人员交通通道，配备相应消防和逃生措施，在紧急情况下作为疏散通道和逃生路线。地下厂房交通通道设置情况见图4。

2.4.2管道和电气电缆连接通道设置

地下厂房（洞室）之间的管道、电气电缆等的连接是地下核电厂总体布置研究的重点，与每个厂房内的系统、设备和构筑物的设计密切相关。在厂房内部系统、设备和构筑物的设计调整还未展开的情况下，初步规划如图4所示。主要包含：（1）反应堆厂房通过电气厂房（地下）到地面常规岛的主蒸汽和主给水管道连接通道；（2）反应堆厂房与燃料厂房之间的燃料转运通道；（3）地下电气厂房与地面电气厂房之间的电气电缆通道；（4）各厂房之间管道及电气电缆连接通道。



地面核岛厂房置于地下的影响分析



地下核岛厂房之间距离及其与地面厂房之间距离的加大将对地下厂房的布置产生如下影响：

（1）主蒸汽管道增长。初步估计主蒸汽管道相对常规地面核电厂需增加约 250 m。通过对地下核电厂主蒸汽管道内流动蒸汽介质进行计算，可知地下核电厂蒸汽湿度相对常规地面核电厂蒸汽湿度增加不明显。因此对汽轮机无特殊要求，具备可实现性。

（2）核燃料转运通道增长。由于各洞室间需保留足够厚度的岩体以满足洞室群围岩稳定的要求，因此相比常规地面核电厂，燃料厂房和反应堆厂房之间距离将大大增加，初步估计需增加约55 m。这必将对燃料传输设备的安装及检修，燃料运输小车及驱动系统、燃料组件装卸时间等带来影响。通过对布置于地下洞室中的燃料装卸与贮存系统进行初步分析得知，可以通过适应性设计修改和设计优化解决和弥补核燃料转运通道加长所带来的一系列问题。

（3）部分辅助系统和专设系统相关工艺管道长度大幅增加，管道沿程阻力损失增加，导致设备性能变化，相关参数需重新设计。

（4）电气电缆长度增加，仪表信号会衰减变弱，对测量效果及执行器的控制动作产生影响，需根据情况重新设计。

（5）对通风、消防、交通运输、人员疏散等系统的影响。地下洞室通风条件较地面厂房要差，需结合洞室群布置和外部地形环境等综合考虑通风、排风通道的设计。消防、交通运输、人员疏散等通道在满足核电规范要求的前提下，需根据地下工程的特殊性进行设计。

（6）对地下核岛建造施工的影响。地下核电厂与地面核电厂相比，其施工方式基本一致，仅反应堆厂房穹顶的安装方式存在明显不同。可考虑在建造期间，在洞室内的反应堆厂房上部搭建临时安装场，直接对钢制穹顶进行就地拼装，待浇灌好混凝土后利用洞室内的桥机吊装。

（7）对严重事故后地下厂房可达性的影响。在电厂设计基准施工情况下，大量的高放射性产物被限制在反应堆厂房内，不会对周围环境造成较大影响。地下核电厂的救援处置人员和设备可以通过目前设置的人员、设备通道到达地下核岛厂区进行作业，在一定程度上优于地面核电厂。结论



本文以丘陵地区中等规模山体地形为基础，采用阶地平埋型式对核岛厂房进行总体布置设计，提出了核岛地下厂房在“L”型洞室中及核岛地面厂房在山体边坡外侧的布置方案，并在此布置方案上进行了地下厂房设备运输和人员通道、管道和电气电缆连接通道以及地面核岛厂房的总体布置概念设计。同时对常规地面核岛厂房置于地下后所产生的影响进行了分析，初步认为，地下核电厂核岛厂房布置方案合理可行。

作者：

肖韵菲，唐涌涛，苏应斌，王帅，苏荣福，张志国

单位：

中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室

长江勘测规划设计研究院

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20160510【核电•土建布置】地下核电站概念设计厂址总平面布置方案比选

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