核島洞室群長廊形布置地下核電站的製作方法與工藝

2023-10-09 04:56:29 1

本發明涉及地下核電技術，具體地指一種核島洞室群長廊形布置地下核電站。

背景技術：
前蘇聯車諾比核事故、美國三哩島核事故、以及日本福島核事故表明，在極端事故情況下現有地面核電站不足以有效防控核洩露，確保核安全。為此，國內外一些學者、研究機構提出將大型商業核電站建設於地下，利用巖體的天然屏蔽作用，使極端事故情況下核汙染得以有效控制，提高核電站的安保等級。美國、日本、前蘇聯、歐洲等國家和地區自上世紀70年代至今，陸續進行了地下核電站的概念設計研究，其建設的基本思路是將核電站涉核設備，例如反應堆、蒸汽發生器、主泵、穩壓器、一迴路管道及相關附屬設備等，安放於地下洞室內。這種建設方式，設備布置靈活，地下洞室規模較小，洞室施工開挖難度較低。雖然相關研究早已有之，但目前世界上並無大型商業地下核電站的工程實例。這主要是因為：①將核電站建設於地下，由於洞室開挖，土建工程費用將有所增加；②為降低設備運行的事故率，在核電站建設過程中應儘量減小對參考電站現有設備工藝系統的改動。如按照上述地下核電站建設思路，將核電站涉核設備根據地下洞室的空間要求，靈活布置於洞室內，雖然能在一定程度上減小洞室規模，但將使涉核設備的布置與現有地面參考電站有較大不同，從而需進行大量的安全性評估和論證，且不符合世界第三代核電建設標準化、模塊化的總思路。現有地面商業核電站核島各廠房，例如反應堆廠房、燃料廠房、電氣廠房、安全廠房、核輔助廠房等，其內部設備布置均經過嚴格論證，具有標準化和模塊化的特點。由此，大型商業地下核電站建設中，應儘量保障核島各廠房的結構形式、相互位置關係、內部設備布置等不進行大的改變，以減少核工藝系統的調整。但是，受地下洞室開挖技術的限制，難以提供一個足夠大的洞室，將現有地面核島各廠房完全複製建設於地下。即保障核島各廠房的結構形式、相互位置關係、內部設備布置等不進行大的調整，又能滿足現有地下洞室開挖技術的要求，地下核電站建設最簡單的方式是將現有地面核電站中核島各廠房以反應堆廠房為中心沿徑向拉伸，將各廠房布置於不同的小型洞室內，從而在整體上呈現環形布置的特點。如此，需建設反應堆廠房洞室、燃料廠房洞室、安全廠房洞室、核輔助廠房洞室、電氣廠房洞室、連接廠房洞室等6個獨立的地下洞室。這樣在地下洞室群開挖中，需布置三層、共38條施工支洞，施工幹擾大，不利於洞室群圍巖穩定。而且，環形布置中，燃料廠房洞室、連接廠房洞室等洞室的軸線相互垂直，無法保障各洞室軸線均與巖層走向和地應力大主應力方向呈大角度相交，不利於洞室圍巖穩定。因此，有必要對地下核島洞室群的布置形式進行優化，以減少洞室、施工支洞數量，同時使各洞室軸線平行，以便核島洞室群布置時規避不利巖層走向和地應力大主應力方向。

技術實現要素：
本發明的目的提供一種技術可行、經濟合理的核島洞室群長廊形布置地下核電站，將現有地面核電站核島建築物布置於地下巖體中。為實現上述目的，本發明所設計的核島洞室群長廊形布置地下核電站，核島洞室群長廊形布置地下核電站，包括利用核裂變能產生蒸汽的核島，其特殊之處在於：所述核島設置在地下洞室群中，所述地下洞室群中，用於放置輔助廠房的輔助洞室群對立地布置於反應堆廠房洞室兩側，形成長廊結構；所述反應堆廠房洞室上部巖體或地表設置有非能動水池，所述非能動水池通過管道與反應堆廠房連接，以便核事故工況下冷卻水自流進入反應堆廠房。其中，所述輔助洞室群包括用於放置電氣廠房的電氣廠房洞室、用於放置燃料廠房的燃料廠房洞室、用於設置安全設備的安全廠房洞室、和用於放置核輔助廠房的核輔助廠房洞室。進一步地，所述電氣廠房洞室和燃料廠房洞室分別位於長廊結構對立的兩側。如此，兩長廊形洞室的軸線相互平行，利於洞群布置時規避不利巖層走向和地應力大主應力方向。優選地，所述核輔助廠房洞室、安全廠房洞室與燃料廠房洞室在同一側，且所述核輔助廠房洞室、安全廠房洞室與燃料廠房洞室為同一組合洞室，以便減少洞室和施工支洞的數量。其中，所述安全廠房洞室有兩個，互為備用，如此可保障在一個安全廠房設備出現事故的情況下，另一個安全廠房可保障核反應堆的正常運行。所述組合洞室內，兩個安全廠房位於核燃料廠房的左右兩側，在物理上進行相互隔離，保障一個安全廠房出現事故不影響另一個安全廠房的正常運行。所述核輔助廠房位於組合洞室的最左側或者最右側。進一步地，所述電氣廠房洞室內設置有電氣廠房和用於控制蒸汽管道開合的主蒸汽閥室。如此，電氣廠房與地面中央控制室的連接電纜和主蒸汽管道可以布置於同一隧洞內，節約工程投資。更進一步地，所述反應堆廠房洞室與所述輔助洞室群間設置有連接隧洞，所述連接隧洞具有交通、管道、電纜、消防和通風作用。如此，可保證各輔助廠房與反應堆廠房之間的管道、電纜布置於相對獨立的隧洞內，且各輔助廠房洞室內的工作人員可不通過其它洞室直接進入反應堆廠房洞室，利於核安全防護分區。再進一步的，所述輔助洞室群外圍布置有主交通隧洞，各輔助廠房洞室均設置有至少兩條交通支洞與主交通隧洞連接，其中，所述主交通隧洞兩端均通達地表，與地面形成兩個出入口。如此，可保證各輔助廠房洞室均直接與主交通隧洞連接，便於設備運輸，避免洞室間施工的相互幹擾；同時，各輔助廠房洞室均有兩個隧洞與主交通隧洞連接，主交通隧洞兩端均通達地表，可保證在極端事故情況下，如一個出口因事故無法通行的情況下，人員可通過另一個出口及時逃離。為了嚴重事故下有效控制反應堆廠房內的壓力，所述核島洞室群長廊形布置地下核電站包括洩壓洞室，所述洩壓洞室位於主隧洞內側，且洩壓洞室僅與反應堆廠房洞室相通。本發明將核電站中涉核建築物布置於不同的地下洞室內，從而形成長廊型地下洞室群。其有益效果主要體現在：(1)通過將核島各廠房布置於不同的地下洞室內，將單個洞室的空間尺寸控制在已建地下洞室的規模以內，從而確保現有的地下洞室開挖技術能滿足地下核電站涉核建築物布置於地下的要求；(2)將核島中的燃料廠房、核輔助廠房、安全廠房等建設於組合廠房洞室中，有效減少了洞室群主洞室的數量，利於洞室群圍巖穩定；(3)組合廠房洞室、電氣廠房洞室等洞室軸線平行，利於洞群布置時規避不利巖層走向和地應力大主應力方向。(4)非能動水池布置於反應堆廠房洞室頂部，在核事故情況下能利用勢能自流為反應堆消防系統供水。避免事故情況下電力系統供應中斷，所引發的反應堆消防系統失效。附圖說明圖1為一種核島洞室群長廊形布置地下核電站的洞室布置結構示意圖。圖2為圖1的俯視結構示意圖。圖3為一種核島洞室群長廊形布置地下核電站的廠房布置結構示意圖。圖中：反應堆廠房洞室1，反應堆廠房1.1，輔助廠房洞室群2，電氣廠房洞室3，洩壓洞室4，核輔助廠房洞室5，安全廠房洞室6，燃料廠房洞室7，組合洞室8，核輔助廠房51，安全廠房61，燃料廠房71，管道隧洞9，設備運輸隧洞10，主交通隧洞11，非能動水池12，主蒸汽閥室13，電氣廠房14，管道15，連接隧洞16，交通支隧洞17。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細描述，但該實施例不應理解為對本發明的限制。為儘量減少核工藝系統的調整，同時使地下洞室的建設規模處於目前地下洞室的施工技術水平之內，地下核電站建設最簡單的方式是將現有地面核電站中核島各廠房以反應堆廠房為中心沿徑向拉伸，將各廠房布置於不同的小型洞室內，從而在整體上呈現環形布置的特點。如此，需建設反應堆廠房洞室、燃料廠房洞室、安全廠房洞室、核輔助廠房洞室、電氣廠房洞室、連接廠房洞室等6個獨立的地下洞室。這樣在地下洞室群開挖中，需布置三層、共38條施工支洞，施工幹擾大，不利於洞室群圍巖穩定。因此，有必要對地下核島洞室群的布置形式進行優化，以減少洞室和施工支洞數量。考慮到地下洞室開挖中，應儘量使洞室軸線與不利巖層走向和地應力大主應力方向呈大角度相交，以利於洞室圍巖穩定。因此，本發明對地下核島洞室群的優化思路是，將燃料廠房洞室與主蒸汽閥室所在的電氣廠房洞室平行布置於反應堆廠房洞室的兩對側，其餘廠房建設於燃料廠房或主蒸汽閥室所在的洞室內，從而形成長廊形的核島洞室群布置形式。如此布置，洞室數量由6個減少為4個，施工支洞由38條減少為24條，且各洞室軸線平行，以便核島洞室群布置時規避不利巖層走向和地應力大主應力方向。具體布置形式，如下所述：圖中所示的核島洞室群長廊形布置地下核電站，包括設置在地下的用於放置反應堆廠房1.1的反應堆廠房洞室1、用於放置輔助廠房的輔助廠房洞室群2，用於事故情況下包容反應堆安全殼內高壓氣體的洩壓洞室4。輔助廠房洞室群包括組合洞室2和電氣廠房洞室3。反應堆廠房洞室1位於核島洞室群的中部，輔助廠房洞室群呈長廊形相對布置於兩側，其中組合洞室2位於靠山內側，電氣廠房洞室3位於靠山外側，洩壓洞室4位於組合洞室2和電氣廠房洞室3的中間巖體區域。組合洞室2內各廠房由圖可知，燃料廠房71居中，燃料廠房71兩側分別布置有安全廠房61，組合洞室2內最左側布置有核輔助廠房51；電氣廠房洞室3內設置有主蒸汽閥室13和電氣廠房14。反應堆廠房洞室1為圓筒形，直徑46m，高87m；組合洞室2為城門洞形，尺寸30m×70.5m×226m(寬×高×長，下同)；電氣廠房洞室3為城門洞形，尺寸30m×60m×60m；為滿足洩壓容積要求，洩壓洞室4為圓筒形，直徑20m，高42m。為滿足洞室頂拱圍巖穩定和防禦武器打擊的要求，並經彈塑性有限元計算，反應堆廠房洞室1和輔助廠房洞室群2的各洞室頂部巖體厚度最少為70m，本方案選擇厚度為135m；為滿足洞室間巖體穩定要求，經彈塑性有限元計算，反應堆廠房洞室1與組合洞室2間距L1為50m，反應堆廠房洞室1與電氣廠房洞室3間距L2為50m，反應堆廠房洞室1與洩壓洞室4間距L3為60m。為滿足反應堆廠房1.1內蒸汽發生器等大型設備的運輸要求，距反應堆廠房洞室1底部29m高處建設有設備運輸隧洞10，通達地表；距反應堆廠房洞室1底部9m高處建設有用於布置主蒸汽管道的管道隧洞9，主蒸汽管道連接反應堆廠房1.1與地面汽輪機廠房，且主蒸汽管道上的主蒸汽閥室13位於電氣廠房洞室3內；為滿足交通、消防、通風、電纜和管道等要求，反應堆廠房洞室1與組合洞室2、電氣廠房洞室3、洩壓洞室4通過連接隧洞16連接；為滿足交通、消防、通風等要求，組合洞室2、電氣廠房洞3室均建設至少2條交通支洞17與主交通隧洞11連接，其中電氣廠房還與設備運輸隧洞10連接；主交通洞11兩端通達地表，與地面形成兩個出入口。在組合洞室2中，相鄰的廠房有共用的交通支洞17。反應堆廠房洞室1上部的地表建設非能動水池12。非能動水池12通過多條管道15與反應堆廠房1.1連接，以便核事故工況下冷卻水自流進入反應堆廠房。以上所述僅是本發明的一種實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施例，凡屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的保護範圍。