本文為《核電廠期刊》編輯Newal Agnihotri的電話采訪。本文轉(zhuǎn)載自“西屋核能”撰文：盧卡·奧瑞尼 西屋電氣公司

Luca Oriani：

作為西屋電氣公司的電廠工程和許可副總裁，Luca Oriani博士負(fù)有西屋電廠的設(shè)計(jì)工程運(yùn)行責(zé)任，其中包括對(duì)中國(guó)和美國(guó)所有正在進(jìn)行的AP1000?項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和工程的監(jiān)督，以及AP1000核電廠的設(shè)計(jì)權(quán)限責(zé)任。

Oriani博士在西屋工作的17年間，從出任新電廠研發(fā)設(shè)計(jì)工程師開始，擔(dān)任過各種領(lǐng)導(dǎo)職務(wù)。他曾致力于先進(jìn)核安全分析方法的開發(fā)和國(guó)際許可，并在任現(xiàn)職之前，領(lǐng)導(dǎo)了AP1000電廠流體系統(tǒng)和管道的設(shè)計(jì)工作。

Oriani博士擁有一項(xiàng)專利，并就非能動(dòng)核電廠及其安全分析的主題發(fā)表了40多篇技術(shù)論文。他還是經(jīng)認(rèn)證的一類客戶領(lǐng)導(dǎo)者，并獲得六西格瑪和精益流程設(shè)計(jì)的黑帶。

Oriani博士擁有意大利米蘭理工學(xué)院的核工程博士學(xué)位。

第三代+核電廠

1、什么造就了AP1000 成為一項(xiàng)特殊設(shè)計(jì)?

上個(gè)世紀(jì)80年代，我們已經(jīng)開始開發(fā)AP1000?核電廠，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)在我工作之前：西屋數(shù)十年核技術(shù)的開發(fā)正是AP1000設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。你看看當(dāng)前幾代核電廠，他們的技術(shù)都是強(qiáng)大、安全和可靠的。這些電廠提供安全和清潔的電力，并把對(duì)環(huán)境的影響最小化。

AP1000電廠的研發(fā)是民用核技術(shù)發(fā)展中的重要一步。 AP1000電廠的關(guān)鍵特征是采用諸如重力和通過傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射進(jìn)行和熱傳遞的非能動(dòng)安全方法，代替用交流電源作為動(dòng)力的復(fù)雜冗余安全系統(tǒng)。

當(dāng)前這一代核電站的根本特點(diǎn)之一是依靠交流電，使電廠處于安全狀態(tài)并消除余熱。在設(shè)計(jì)AP1000電廠時(shí)，我們希望在更簡(jiǎn)單和更穩(wěn)健的設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，開發(fā)一種解決方案，不僅可以簡(jiǎn)化電廠設(shè)計(jì)，還可以提供一種具備減輕潛在災(zāi)難性環(huán)境事件(地震、颶風(fēng)、海嘯等)能力的設(shè)計(jì)。這一概念就是AP1000電廠的核心設(shè)計(jì)理念。AP1000電廠不需要交流電源來(lái)實(shí)現(xiàn)安全停堆，也不需要在延長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)建立和維護(hù)安全停堆模式，同時(shí)帶走核燃料產(chǎn)生的衰變熱。一旦不依賴交流電源，則可解決需要交流電源來(lái)帶走衰變熱的悖論。AP1000電廠的設(shè)計(jì)是不需要交流電源的，只需要物理定律和直流電池、壓縮氣體和重力的儲(chǔ)存能量來(lái)帶走衰變熱，這就是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單性和穩(wěn)健性的原因所在。

此外，AP1000電廠是基于自開始運(yùn)行起工作壽命60+多年的設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)為更強(qiáng)的電網(wǎng)適應(yīng)性，可以更好地適應(yīng)具有各種不同發(fā)電源的現(xiàn)代電網(wǎng)。例如，AP1000電廠設(shè)計(jì)為在100%電網(wǎng)甩負(fù)荷后繼續(xù)運(yùn)行 - 一旦故障被清除，AP1000電廠能夠快速為提供電力支持電網(wǎng)。而目前各核電站會(huì)因電網(wǎng)故障而跳閘，并且在事件發(fā)生后數(shù)小時(shí)內(nèi)無(wú)法提供電網(wǎng)支持。

2、請(qǐng)描述AP1000數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用。

總的來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)分析一直是整個(gè)核工業(yè)致力發(fā)展的領(lǐng)域，也是西屋投資的重點(diǎn)之一，并且是在多個(gè)不同領(lǐng)域處于最前沿的投資項(xiàng)目。具體來(lái)說(shuō)，我們開發(fā)了用于分析諸如泵、電機(jī)、熱交換器等組件數(shù)據(jù)的工具，以優(yōu)化其維護(hù)活動(dòng)。

我認(rèn)為AP1000電廠中關(guān)于數(shù)據(jù)分析的一個(gè)關(guān)鍵方面是，我們?cè)O(shè)計(jì)的AP1000電廠的儀表和控制系統(tǒng)以及電廠基礎(chǔ)設(shè)施，與在運(yùn)核電廠數(shù)據(jù)分析的成熟度是并行的。與在運(yùn)電廠相比，AP1000電廠有一個(gè)主要的優(yōu)勢(shì)，大部分在運(yùn)電廠在獲取額外的組件數(shù)據(jù)，以執(zhí)行必要的分析方面都存在著挑戰(zhàn);而AP1000則能夠在電廠儀表和控制系統(tǒng)及電廠基礎(chǔ)設(shè)施中開發(fā)AP1000電廠數(shù)據(jù)分析。我們能夠利用現(xiàn)代信息技術(shù)確保我們擁有收集大量數(shù)據(jù)的嵌入式功能，而這些數(shù)據(jù)可在現(xiàn)代數(shù)據(jù)分析中使用。

另一個(gè)關(guān)鍵方面是電廠設(shè)計(jì)將數(shù)據(jù)集成到電廠3D模型中。電廠信息和控制系統(tǒng)技術(shù)使業(yè)主能夠有效地收集和傳播所有可操作的信息至運(yùn)行和維護(hù)人員的手中。 AP1000電廠不僅增加了額外的傳感器功能，而且還增加了基礎(chǔ)設(shè)施，以便在正確的時(shí)間將正確的數(shù)據(jù)分發(fā)到正確的位置。

3、現(xiàn)有電廠的數(shù)據(jù)可用嗎?是否可以外推用于AP1000?

是的。AP1000電廠的絕大多數(shù)組件都依賴于數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)。例如，AP1000電廠蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)概念與我們?cè)诒姸嚯姀S不同應(yīng)用中蒸汽發(fā)生器使用的設(shè)計(jì)概念相同。反應(yīng)堆燃料、反應(yīng)堆容器、堆內(nèi)部構(gòu)件、疲勞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、管道等，所有這些基本組件 - 與我們?cè)谝垭姀S中部署的最現(xiàn)代化設(shè)計(jì)相似(如果不相同的話)。只有數(shù)量有限的首創(chuàng)組件，通過廣泛的測(cè)試程序，我們?yōu)檫@些組件開發(fā)出適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)。

AP1000電廠的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是按照適用于所有AP1000機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)方法分層次地組織信息。這種方法將使世界上不同AP1000電廠的不同運(yùn)營(yíng)商更方便地共享信息，也更便于西屋公司開發(fā)具有各電廠適用性的解決方案和選項(xiàng)。例如，如果了解安全殼內(nèi)的核島管道設(shè)計(jì)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)中國(guó)的AP1000機(jī)組和美國(guó)的Vogtle機(jī)組之間的差別很小。其數(shù)據(jù)、文檔、標(biāo)簽ID號(hào)，所有內(nèi)容完全相同，便于共享信息。我們之所以這樣做的原因之一就是當(dāng)我們考慮將新電廠系列推向市場(chǎng)時(shí)，我們希望將我們與電廠所有者之間創(chuàng)建和累積可分享的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)最大化。

4、福島后改進(jìn)項(xiàng)有哪些?

自設(shè)計(jì)開始以來(lái)，AP1000電廠安全概念的主要目標(biāo)之一是最大限度地提高電廠應(yīng)對(duì)所謂的極端環(huán)境事件的能力。當(dāng)我們處于設(shè)計(jì)的早期階段時(shí)，我們考慮的一個(gè)關(guān)鍵事件是1992年的安德魯颶風(fēng)。我們還考慮了那些可能嚴(yán)重?fù)p害電廠周圍整個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施的災(zāi)難性自然事件，這些所指的是可達(dá)性、電力、供水等。為了解決這個(gè)問題，先進(jìn)的核電站設(shè)計(jì)應(yīng)該是可以自給自足和盡可能自主的電廠，至少在三天內(nèi)無(wú)需任何動(dòng)力或場(chǎng)外干預(yù)， 甚至在這三天之后只需要極少的支持。在福島核事故之后，以及之后的《多元化且靈活的應(yīng)對(duì)能力戰(zhàn)略》(FLEX)核管會(huì)(NRC)法規(guī)中，對(duì)AP1000電廠沒有進(jìn)行任何重大修改，因?yàn)檫@些概念已經(jīng)嵌入到AP1000的設(shè)計(jì)中。實(shí)際上，部分FLEX要求是通過NRC在90年代對(duì)非能動(dòng)核電廠設(shè)計(jì)進(jìn)行審查得出的結(jié)果并進(jìn)行了充實(shí)和完善。AP1000電廠的獨(dú)特之處是在于其設(shè)計(jì)的全電廠斷電是作為一個(gè)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件，而不是作為超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件。

在失去交流電源的情況下，即使假設(shè)遇到災(zāi)難性事件，不僅失去電網(wǎng)連接，而且失去備用連接的以及所有現(xiàn)場(chǎng)備用的柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，正如我之前所說(shuō)，AP1000反應(yīng)堆也可自行停堆，并且電廠處于安全狀態(tài)，可以在沒有任何干預(yù)或任何交流電源的情況下維持至少72小時(shí)。即使在三天之后，與上一代電廠的主要區(qū)別在于，AP1000電廠的設(shè)計(jì)僅需要大約28 kW的功率即可用于長(zhǎng)期支持，而相當(dāng)規(guī)模的核電廠則需要幾百kW。我們認(rèn)為將電力需求降低到非常小這一點(diǎn)非常重要，原因是一旦電力需求減少，那么只需要有非常小的輔助柴油發(fā)電機(jī)即可。如果失去了進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的所有途徑，甚至可以用直升機(jī)運(yùn)輸這些發(fā)電機(jī)。他們很容易從現(xiàn)有的緊急事件基礎(chǔ)設(shè)施中獲取。

5、就設(shè)備和儀器而言，哪些主要系統(tǒng)與安全相關(guān)?

鑒于在篇幅限制，我們無(wú)法討論每項(xiàng)電廠安全功能，我可以介紹其中的一部分。首先是擁有I&C - 儀表和控制安全系統(tǒng)。安全I(xiàn)&C系統(tǒng)是數(shù)字保護(hù)和監(jiān)控系統(tǒng)(PMS),該系統(tǒng)是圍繞著一個(gè)四取二安全驅(qū)動(dòng)邏輯構(gòu)建的。該數(shù)字系統(tǒng)可在電廠中提供所有與安全相關(guān)的控制。AP1000電廠還有一個(gè)稱為多樣化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(DAS)的備用縱深防御硬接線系統(tǒng)，包括特定功能，即使是在假定數(shù)字系統(tǒng)故障的情況下，可以作出關(guān)鍵安全響應(yīng)。當(dāng)你注意到主要流體系統(tǒng)時(shí)，會(huì)看到一個(gè)非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)或PXS，其設(shè)計(jì)用于安全地從反應(yīng)堆堆芯去除衰變熱，并包括自動(dòng)地非能動(dòng)減壓和水補(bǔ)充功能。我們還有非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以從安全殼中移除熱量，并確保無(wú)限制地運(yùn)行非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)的能力，而無(wú)需任何水注入進(jìn)安全殼。

另一個(gè)關(guān)鍵的非能動(dòng)系統(tǒng)是主控制室可居留系統(tǒng)：我們的主控制室設(shè)計(jì)為使用儲(chǔ)存的空氣和直流電池，即使出現(xiàn)多個(gè)事件導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的全廠斷電，也可以在沒有電力的情況下保持可居留性。當(dāng)然，我們還有乏燃料冷卻系統(tǒng)，這是另一個(gè)完全非能動(dòng)安全系統(tǒng)，可為乏燃料池提供有效的長(zhǎng)期冷卻。安全系統(tǒng)內(nèi)實(shí)質(zhì)上重要的主要類別包括：I&C安全系統(tǒng)、堆芯冷卻、乏燃料池冷卻、安全殼冷卻系統(tǒng)、及主控制室可居留系統(tǒng)。

需要了解的一個(gè)重要方面是AP1000電廠還擁有兩臺(tái)優(yōu)質(zhì)、高可靠性的現(xiàn)場(chǎng)柴油發(fā)電機(jī)，可提供縱深防御支持正常的電廠運(yùn)行，并在交流電源斷電時(shí)對(duì)大多數(shù)事件提供正常響應(yīng)，即使在場(chǎng)內(nèi)場(chǎng)外所有交流電源失去的情況下，其所具備的非能動(dòng)安全系統(tǒng)仍可為電廠提供獨(dú)特的事件管理的能力。

6、AP1000控制部分是否更加用戶友好?

答案是肯定的，比當(dāng)前的核電站是更加用戶友好的，因?yàn)楝F(xiàn)代控制系統(tǒng)考慮了一定程度的人機(jī)界面，這在20世紀(jì)70年代或更早設(shè)計(jì)的前幾代核電站中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)改進(jìn)人機(jī)界面主要得益于非能動(dòng)系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)之間的卓越協(xié)同作用。當(dāng)設(shè)計(jì)控件時(shí)，我們希望開發(fā)出一種對(duì)在專業(yè)化和個(gè)人環(huán)境中伴隨數(shù)字技術(shù)成長(zhǎng)的一代人來(lái)說(shuō)更自然的系統(tǒng)。主控制室主要設(shè)計(jì)為軟接口工作環(huán)境 - 帶有顯示器和軟操控制，允許操縱員主要通過與平板監(jiān)視器互動(dòng)來(lái)控制電廠。相比之下，典型的在運(yùn)核電廠控制室中大約有1000到1400個(gè)不同的傳統(tǒng)控制開關(guān)。而AP1000電廠主控制室只有大約70個(gè)控制開關(guān)，僅僅用于關(guān)鍵安全功能。其他一切均為現(xiàn)代化工作環(huán)境，通過基于計(jì)算機(jī)的軟操控制裝置來(lái)控制電廠運(yùn)行。

我最感興趣的是計(jì)算機(jī)化規(guī)程系統(tǒng)(CPS)的工作原理。在AP1000電廠和西屋電氣的數(shù)字架構(gòu)中，CPS實(shí)際上嵌入在整個(gè)I&C架構(gòu)中，有效地成為運(yùn)營(yíng)商可能使用的一個(gè)有關(guān)潛在事件、問題及響應(yīng)方法的概要。它不僅僅是計(jì)算機(jī)上的文件，實(shí)際上也遠(yuǎn)非各程序的靜態(tài)文檔。CPS要發(fā)揮的作用是將程序與電廠的I&C架構(gòu)集成在一起。在程序進(jìn)行每個(gè)步驟時(shí)，CPS均要評(píng)估電廠狀態(tài)，提供轉(zhuǎn)換到下一個(gè)適當(dāng)程序的建議，執(zhí)行必要的并行信息，提醒操縱員采取要求的操作，并將程序的每個(gè)步驟鏈接到適當(dāng)?shù)能涳@示和相關(guān)的軟控制器。這樣的設(shè)計(jì)實(shí)際是給操縱員提供在線信息和幫助。

7、從AP1000獲得了哪些經(jīng)過修改，可用于現(xiàn)有的電廠的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)?

先進(jìn)數(shù)字控制系統(tǒng)，包括網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)事項(xiàng)，是現(xiàn)有電廠數(shù)字化升級(jí)的實(shí)例。部分AP1000電廠針對(duì)極端事件的應(yīng)對(duì)和減緩策略已經(jīng)為西屋開發(fā)的用于支持在運(yùn)電廠“多元化靈活應(yīng)對(duì)策略”(FLEX)要求的關(guān)鍵產(chǎn)品和服務(wù)，提供了信息并豐富了其內(nèi)容。

另一個(gè)例子是風(fēng)險(xiǎn)告知設(shè)計(jì)。西屋開發(fā)的AP1000概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估很早就被用作AP1000電廠的設(shè)計(jì)工具。該技術(shù)在風(fēng)險(xiǎn)告知的應(yīng)用方面已經(jīng)影響了許多現(xiàn)有產(chǎn)品和服務(wù)。另一個(gè)方面，從美國(guó)技術(shù)的角度來(lái)看，AP1000電廠是第一個(gè)實(shí)際運(yùn)用更多現(xiàn)代核建筑和設(shè)計(jì)規(guī)范的電廠。這有助于確保開發(fā)和協(xié)調(diào)這些新規(guī)范的許可要求。例如，美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)(ACI)“核安全相關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)的規(guī)范要求(ACI 349-01)”提供了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)建筑的標(biāo)準(zhǔn)，而電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)“IEEE 384- 2008 IEEE核電廠安全級(jí)電氣設(shè)備和電路獨(dú)立性準(zhǔn)則”確定了電氣分隔要求的標(biāo)準(zhǔn)。其他工程服務(wù)方面，以安全性為例，在多個(gè)國(guó)家，AP1000電廠都是第一個(gè)電廠設(shè)計(jì)遵守并獲得許可、能滿足9/11后要求的核電廠。這包括物理安全、飛機(jī)撞擊保護(hù)和網(wǎng)絡(luò)安全。這為我們開發(fā)和測(cè)試符合AP1000電廠新法規(guī)的不同方法方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

8、AP1000是如何應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全挑戰(zhàn)的?

我們始終考慮安全性分兩個(gè)方面：網(wǎng)絡(luò)和物理。兩者都是AP1000電廠開發(fā)的關(guān)鍵特征。通俗地說(shuō)，就物理安全而言，這是首個(gè)真正完全融入并滿足9/11事件后監(jiān)管環(huán)境中所有全新要求的核電廠。就網(wǎng)絡(luò)安全而言，在喬治亞州Vogtle核電廠部署的機(jī)組實(shí)施了聯(lián)邦法規(guī)第10章及其第73.54條“保護(hù)數(shù)字計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)及其網(wǎng)絡(luò)” 的要求，包括針對(duì)關(guān)鍵數(shù)字資產(chǎn)、關(guān)鍵數(shù)字設(shè)備或資產(chǎn)的安全配置實(shí)施，以及安全監(jiān)控系統(tǒng)的儀表和控制方法的設(shè)計(jì)和交付的詳細(xì)規(guī)范。同樣，該設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵方面是分層的、縱深防御的安全方法概念，這在安全性方面提供了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。具體包括多樣化和硬接線備份系統(tǒng)，確保實(shí)現(xiàn)我前面提到的關(guān)鍵安全功能的觸發(fā)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵資產(chǎn)的最小化和穩(wěn)健性。

9、AP1000中實(shí)施了哪些重大創(chuàng)新?

這是首個(gè)依靠非能動(dòng)安全系統(tǒng)響應(yīng)所有電廠事件的核電廠。我要提到的另一項(xiàng)創(chuàng)新是在核島內(nèi)廣泛使用的模塊化建設(shè)。這的確是在應(yīng)用中日趨成熟的概念，但在最大限度地發(fā)揮場(chǎng)外建設(shè)和制造的效益方面，這種概念其實(shí)從美國(guó)核工業(yè)、軍事和民用應(yīng)用中汲取了大量經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。AP1000電廠也是首個(gè)反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)采用為壓水堆設(shè)計(jì)的屏蔽式主泵的商業(yè)電廠。這不僅大大減少了維護(hù)作業(yè)，而且還無(wú)需大量配套系統(tǒng)，最重要的是，消除了注水以保持泵密封件完整性的需要。軟操控制裝置的廣泛使用，即觸摸屏和大型數(shù)字顯示器以及我們討論過的先進(jìn)主控制室設(shè)計(jì)，減輕了操縱員的負(fù)擔(dān)。另一項(xiàng)重要?jiǎng)?chuàng)新是我前面討論的主控室可居留性，不需要交流電源，只依賴于非能動(dòng)過濾和儲(chǔ)存空氣，就可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期安全居留和操縱員保護(hù)。