宋丹戎,秦　忠

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610213)

小型模塊堆 (SMR)是近年國(guó)際上競(jìng)相研發(fā)的新一代反應(yīng)堆,可成為安全穩(wěn)定的分布式清潔能源,適合于中小型國(guó)家電網(wǎng)發(fā)電、區(qū)域供熱或制冷、工藝供熱、海水淡化、偏遠(yuǎn)地區(qū)和海島能源供應(yīng)。

“玲龍一號(hào)”是在中核集團(tuán)研發(fā)的ACP100小型模塊堆技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行了多項(xiàng)重大優(yōu)化改進(jìn)而來(lái),進(jìn)一步提高安全性及經(jīng)濟(jì)性,具有三代加核能技術(shù)水平。“玲龍一號(hào)”具有多用途,可用于發(fā)電、城市區(qū)域供熱、工業(yè)園區(qū)工藝供熱、海水淡化、船舶推進(jìn)、浮動(dòng)核電站、核商船等。

1　“玲龍一號(hào)”技術(shù)方案

1.1　設(shè)計(jì)原則

“玲龍一號(hào)”滿足核動(dòng)力廠所應(yīng)具有的基本安全功能:反應(yīng)性控制、余熱排出和放射性包容。設(shè)計(jì)中應(yīng)用縱深防御的理念,提供一系列多層次的防御 (固有特性、設(shè)備及規(guī)程)。結(jié)合“玲龍一號(hào)”放射性源項(xiàng)小、堆芯余熱小、固有安全性高的特點(diǎn),強(qiáng)化前端事故預(yù)防,縱深防御層次重點(diǎn)在前三個(gè)層次,至多第四個(gè)層次,從而可實(shí)現(xiàn)在技術(shù)上對(duì)外部干預(yù)措施的需求有限甚至可免除。

1.2　技術(shù)特征

“玲龍一號(hào)”采用一體化反應(yīng)堆革新技術(shù),反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)采用強(qiáng)迫循環(huán)和外置蒸汽穩(wěn)壓,蒸汽發(fā)生器為內(nèi)置新型直流蒸汽發(fā)生器,反應(yīng)堆冷卻劑泵為屏蔽電機(jī)內(nèi)置主泵,堆頂結(jié)構(gòu)為集成式一體化結(jié)構(gòu),安全系統(tǒng)全部非能動(dòng),儀控系統(tǒng)采用分布式數(shù)字化儀控系統(tǒng),采用凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電和抽氣方式進(jìn)行供熱及溴化鋰熱法制冷。

“玲龍一號(hào)”具有以下七大技術(shù)特征。

(1)一體化反應(yīng)堆技術(shù)

反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)集成為一個(gè)反應(yīng)堆模塊,見圖1。“玲龍一號(hào)”反應(yīng)堆模塊由反應(yīng)堆壓力容器、直流蒸汽發(fā)生器、屏蔽泵、反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件和一體化堆頂結(jié)構(gòu)等組成。直流蒸汽發(fā)生器位于反應(yīng)堆壓力容器內(nèi),屏蔽泵通過短管嘴直接連接到反應(yīng)堆壓力容器,傳統(tǒng)的主回路管道得以消除。

圖1　“玲龍一號(hào)”反應(yīng)堆模塊Fig.1　LING LONG One SMR

(2)固有安全加非能動(dòng)安全

“玲龍一號(hào)”具有多重固有安全特性。慢化劑及燃料負(fù)溫度系數(shù),反應(yīng)堆自穩(wěn)自調(diào)性好;反應(yīng)堆一體化布置消除了大LOCA事故;屏蔽泵取代軸封泵,消除軸封LOCA事故;空冷安全殼消除安全殼超壓事故;一回路具有高自然循環(huán)能力和高抗震能力;集成式堆頂結(jié)構(gòu)取消壓力容器下封頭貫穿件;反應(yīng)堆功率小,主系統(tǒng)熱儲(chǔ)能低,衰變余熱低,放射性源項(xiàng)低;低堆芯功率密度,更高的熱工安全裕量,更好適應(yīng)與CHF有關(guān)的預(yù)期瞬態(tài),可以允許反應(yīng)堆冷卻劑更低的流速?gòu)亩档土髦抡駝?dòng)效應(yīng);單位功率冷卻劑裝量大,主系統(tǒng)熱容量和熱慣性高,降低系統(tǒng)對(duì)堆芯升溫瞬變的反應(yīng)。通過設(shè)計(jì)消除多種設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故。

“玲龍一號(hào)”采用完全非能動(dòng)的安全系統(tǒng),包括采用非能動(dòng)應(yīng)急堆芯冷卻、非能動(dòng)應(yīng)急余熱排出、安全殼空冷、自動(dòng)泄壓和非能動(dòng)可燃?xì)怏w控制,安全系統(tǒng)簡(jiǎn)化,減少故障;通過自然力實(shí)現(xiàn)事故下反應(yīng)堆安全;不需要安全相關(guān)的應(yīng)急交流電源;事故后可以長(zhǎng)期不需要人為干預(yù)。安全系統(tǒng)全部非能動(dòng)。

(3)模塊式高效直流蒸汽發(fā)生器技術(shù)

“玲龍一號(hào)”采用內(nèi)置模塊式高效直流蒸汽發(fā)生器,無(wú)散熱損失,設(shè)備熱效率100%;盒式鈦合金管束結(jié)構(gòu),換熱效率高,結(jié)構(gòu)緊湊;二次側(cè)全壓設(shè)計(jì),產(chǎn)生過熱蒸汽;直流蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水裝量小,主蒸汽管破裂事故后果輕,不會(huì)發(fā)生反應(yīng)堆過冷。

(4)空冷安全殼

安全殼采用空氣冷卻,無(wú)需任何啟動(dòng)信號(hào),無(wú)系統(tǒng)容量限制,無(wú)需復(fù)雜的空氣導(dǎo)流板,消除安全殼超壓事故。圖2為非能動(dòng)安全殼空冷系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。

圖2　非能動(dòng)安全殼空冷系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.2　Air cooling system of the passive contain ment

(5)地下布置

反應(yīng)堆、乏燃料及安全系統(tǒng)布置于地下。地下布置利用巖體土壤作為天然的放射性隔離屏障,抗震能力更高、抗恐怖襲擊能力更強(qiáng)、環(huán)境更友好,進(jìn)一步提高公眾對(duì)小型核能的可接受度,為 “玲龍一號(hào)”靠近城市和用戶部署提供了可能。

(6)更高程度的模塊化

主系統(tǒng)模塊化:反應(yīng)堆及反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)集成為反應(yīng)堆模塊,由多個(gè)子模塊裝配而成,實(shí)現(xiàn)模塊化制造、模塊化運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)快速裝配。

模塊化施工:根據(jù)進(jìn)度、造價(jià)目標(biāo),適時(shí)實(shí)施一系列設(shè)備模塊、管道模塊及鋼結(jié)構(gòu)模塊。

(7)成熟度高

“玲龍一號(hào)”主設(shè)備小型化,全部采用經(jīng)工程實(shí)踐驗(yàn)證的成熟技術(shù);主要關(guān)鍵技術(shù)全部解決;多種方式設(shè)計(jì)驗(yàn)證:試驗(yàn)驗(yàn)證、仿真驗(yàn)證及第三方驗(yàn)證;“玲龍一號(hào)”專用的多項(xiàng)特殊設(shè)備研制已完成。

1.3　主要技術(shù)參數(shù)

“玲龍一號(hào)”主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　“玲龍一號(hào)”主要參數(shù)表Table1　LING LONGSM Rtechnical parameters

續(xù)表

2　“玲龍一號(hào)”縱深防御設(shè)計(jì)

“玲龍一號(hào)”縱深防御滿足小型壓水堆核動(dòng)力廠安全審評(píng)原則 (試行)[1]的要求,貫穿所有安全相關(guān)活動(dòng),并保證這些活動(dòng)在多重安全措施下得到保護(hù)?！傲猃堃惶?hào)”設(shè)計(jì)包含了5道縱深防御措施。

第一層次縱深防御的目標(biāo)是防止偏離正常運(yùn)行及防止系統(tǒng)失效。按照恰當(dāng)?shù)馁|(zhì)量水平和工程實(shí)踐,例如多重性、獨(dú)立性及多樣性的應(yīng)用,正確并保守地設(shè)計(jì)、建造、維修和運(yùn)行核動(dòng)力廠。為此,采用工程實(shí)踐驗(yàn)證的設(shè)計(jì)規(guī)范和材料,嚴(yán)格按照質(zhì)量等級(jí)和規(guī)范等級(jí)開展安全相關(guān)設(shè)備的制造和施工。能有利于減少內(nèi)部災(zāi)害的可能 (控制假設(shè)始發(fā)事件的響應(yīng))、減輕特定假設(shè)始發(fā)事件的后果或減少事故序列之后可能的釋放源項(xiàng)的設(shè)計(jì)方案均在這一層次的防御中起作用。還應(yīng)重視涉及設(shè)計(jì)、制造、建造、在役檢查、維修和試驗(yàn)的過程,以及進(jìn)行這些活動(dòng)時(shí)良好的可達(dá)性、核動(dòng)力廠的運(yùn)行方式和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的利用等方面。整個(gè)過程是以確定核動(dòng)力廠運(yùn)行和維修要求的詳細(xì)分析為基礎(chǔ)。

第二層次防御的目的是檢測(cè)和糾正偏離正常運(yùn)行狀態(tài),以防止預(yù)計(jì)運(yùn)行事件升級(jí)為事故工況。盡管注意預(yù)防,核動(dòng)力廠在其壽期內(nèi)仍然可能發(fā)生某些假設(shè)始發(fā)事件。這一層次要求設(shè)置在安全分析中確定的專用系統(tǒng),并制定運(yùn)行規(guī)程以防止或盡量減小這些假設(shè)始發(fā)事件所造成的損害。為了達(dá)到該安全目標(biāo),“玲龍一號(hào)”設(shè)計(jì)了兩套獨(dú)立的反應(yīng)性控制系統(tǒng),他們是控制棒調(diào)節(jié)系統(tǒng)和硼酸注入系統(tǒng)。

縱深防御第三層次要求設(shè)置的專設(shè)安全設(shè)施能夠?qū)⒑藙?dòng)力廠首先引導(dǎo)到可控制狀態(tài),然后引導(dǎo)到安全停堆狀態(tài),并且至少維持一道放射性物質(zhì)包容屏障。要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)必須通過固有安全特性、故障安全設(shè)計(jì)、附加的設(shè)備和規(guī)程來(lái)控制這些事件的后果,使核動(dòng)力廠在這些事件后達(dá)到穩(wěn)定的、可接受的狀態(tài)?！傲猃堃惶?hào)”設(shè)計(jì)了非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng),非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng),安全殼空冷系統(tǒng),自動(dòng)泄壓系統(tǒng),安全殼隔離系統(tǒng),在從事故條件期間到事故后果控制階段,保證以上所有系統(tǒng)都能可用。

第四層次防御的目標(biāo)是針對(duì)超過設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的事故,在可行范圍內(nèi)確保放射性釋放物盡可能低。該層次最重要的目的是保護(hù)包容功能,因此確保放射性釋放物在可實(shí)施條件下盡可能的低。除了事故管理規(guī)程之外,這可以由防止事故進(jìn)展的補(bǔ)充措施與規(guī)程,以及減輕選定的嚴(yán)重事故后果的措施來(lái)達(dá)到。堆腔淹沒系統(tǒng)和安全殼氫氣控制系統(tǒng)等的嚴(yán)重事故防止和緩解措施構(gòu)成了 “玲龍一號(hào)”第四層次防御。

第五層次,即最后層次防御的目的是減輕可能由事故工況引起潛在的放射性物質(zhì)釋放造成的放射性后。要求適當(dāng)裝備的應(yīng)急控制中心和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急響應(yīng)?！傲猃堃惶?hào)”具有增強(qiáng)的多重實(shí)體屏障來(lái)阻止放射性物質(zhì)外泄。這些屏障包含了燃料基體、包殼、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)和安全殼,并有防安全殼旁通的設(shè)計(jì)措施?！傲猃堃惶?hào)”的應(yīng)急計(jì)劃區(qū)可大幅縮小至500 m半徑范圍內(nèi)。

3　“玲龍一號(hào)”安全和許可策略

“玲龍一號(hào)”采用的安全策略如下:不需要能動(dòng)的應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng);不需要能動(dòng)的安全殼噴淋和再循環(huán)系統(tǒng);事故發(fā)生后長(zhǎng)期可不需要操縱員手動(dòng)干預(yù)就能實(shí)現(xiàn)堆芯保護(hù);不需要安全相關(guān)的應(yīng)急交流電力;安全相關(guān)控制/監(jiān)測(cè)蓄電池可提供72 h不間斷供電;一體化反應(yīng)堆設(shè)計(jì)使設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故 (DBA)發(fā)生概率及影響最小化;應(yīng)急計(jì)劃區(qū)可限制在廠區(qū)范圍內(nèi)。

“玲龍一號(hào)”采用的許可策略如下:采用符合IAEA No.SF-1[2]基本安全要求和SSR2/1[3]核電廠安全設(shè)計(jì)并經(jīng)驗(yàn)證的壓水堆技術(shù);許可審查全部在當(dāng)前輕水堆框架下進(jìn)行;固有安全特性、大安全裕量、非能動(dòng)安全和地下布置設(shè)計(jì)帶來(lái)更高的安全性;采用大型核電成熟燃料組件截短;在初步設(shè)計(jì)期間就開展第三方獨(dú)立驗(yàn)證;主動(dòng)接受國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)開展通用反應(yīng)堆安全審查。

4　“玲龍一號(hào)”試驗(yàn)和驗(yàn)證

從2010年起,“玲龍一號(hào)”已開展了控制棒驅(qū)動(dòng)線 (CRDL)的冷態(tài)和熱態(tài)試驗(yàn)、抗震試驗(yàn)、非能動(dòng)安全系統(tǒng)綜合試驗(yàn)、堆內(nèi)構(gòu)件流致振動(dòng)試驗(yàn)、燃料組件臨界熱流密度 (CHF)試驗(yàn)、非能動(dòng)安全殼空冷系統(tǒng) (PAS)試驗(yàn)。這6項(xiàng)關(guān)鍵試驗(yàn)在2015年12月均已完成并通過驗(yàn)證,為安全審查提供支撐。

控制棒驅(qū)動(dòng)線的冷態(tài)和熱態(tài)試驗(yàn)包括控制棒組件的落棒試驗(yàn)、控制棒抽插力試驗(yàn)及落棒試驗(yàn)、熱性能研究和壽命測(cè)試、包括落棒性能、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電子性能和燃料組件熱腐蝕試驗(yàn)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在800萬(wàn)步耐久測(cè)試后仍可以正常運(yùn)行,落棒時(shí)間滿足設(shè)計(jì)及安全要求。

CRDL抗震試驗(yàn)驗(yàn)證了運(yùn)行基準(zhǔn)地震下的運(yùn)行性能,安全停堆地震下的落棒功能,證實(shí)了驅(qū)動(dòng)線結(jié)構(gòu)完整性。

非能動(dòng)安全系統(tǒng)試驗(yàn)包括全廠斷電試驗(yàn)、LOCA試驗(yàn)、長(zhǎng)期再循環(huán)堆芯冷卻試驗(yàn)、臨界流量試驗(yàn)、非能動(dòng)余熱排出試驗(yàn)和堆芯補(bǔ)水試驗(yàn)。超過1600臺(tái)的高精度快速測(cè)量?jī)x器用來(lái)收集試驗(yàn)重要參數(shù)。試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì),可確保堆芯安全。

堆內(nèi)構(gòu)件流致振動(dòng)試驗(yàn)包括在靜水和空氣中測(cè)量堆內(nèi)構(gòu)件動(dòng)態(tài)特性、流致振動(dòng)測(cè)量、耐久測(cè)試和結(jié)構(gòu)完整性檢查。該試驗(yàn)驗(yàn)證了 “玲龍一號(hào)”堆內(nèi)構(gòu)件在流致振動(dòng)下是安全的,扣件沒有松動(dòng),結(jié)構(gòu)表面沒有磨損。

CHF試驗(yàn)包括典型柵元均勻加熱CHF試驗(yàn),非典型柵元均勻加熱和非均勻加熱CHF試驗(yàn)。試驗(yàn)工況包括運(yùn)行和事故條件,涵蓋廣泛的參數(shù)范圍。通過5×5全長(zhǎng)棒束均勻和非均勻加熱臨界熱流密度試驗(yàn),得到了 “玲龍一號(hào)”燃料組件的臨界熱流密度關(guān)系式。

PAS試驗(yàn)?zāi)M在真實(shí)工作參數(shù)中的全高度、全壓力、熱容量等運(yùn)行數(shù)據(jù),試驗(yàn)驗(yàn)證了PAS系統(tǒng)性能,并為PAS的分析程序提供了可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5　“玲龍一號(hào)”示范工程

“玲龍一號(hào)”科技示范工程擬實(shí)現(xiàn)以下目的:一體化反應(yīng)堆及直流蒸汽發(fā)生器帶核技術(shù)演示驗(yàn)證;驅(qū)動(dòng)模塊式小堆標(biāo)準(zhǔn)體系完善;帶動(dòng)國(guó)內(nèi)小型模塊堆產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展;核能電熱水多用途示范;設(shè)計(jì)制造運(yùn)輸過程模塊化示范;獲取模塊式一體化壓水堆機(jī)組設(shè)計(jì)建造調(diào)試及運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn);為自主建設(shè)浮動(dòng)核電站積累技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)。

5.1　示范工程方案

“玲龍一號(hào)”科技示范工程采用單堆單機(jī)組設(shè)計(jì),擬開展發(fā)電、制冷、海水淡化三聯(lián)產(chǎn)多用途示范;示范工程選定海南昌江核電廠址開展,計(jì)劃在2018年年底實(shí)現(xiàn)開工。示范工程廠區(qū)用地面積18公頃。

“玲龍一號(hào)”示范工程采用圖3中所示的緊湊單機(jī)組布局。燃料廠房、電力廠房和輔助核設(shè)施廠房布設(shè)在反應(yīng)堆廠房周圍。反應(yīng)堆廠房運(yùn)行平臺(tái)、燃料轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)和放射性廢料轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)布置在地面標(biāo)高。

圖3　“玲龍一號(hào)”示范工程核島布置圖Fig.3　Layout of nuclear island of LING LONG One demonstration project

5.2　示范工程進(jìn)展

“玲龍一號(hào)”科技示范工程目前處于前期工作階段。2017年9月11日,國(guó)家核安全局正式受理 “玲龍一號(hào)”示范工程 “兩評(píng)”報(bào)告;2017年10月18日,國(guó)家核安全局下達(dá)小堆兩評(píng)報(bào)告第一批審評(píng)問題;2017年10月11日,電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院組織審查了工程可行性研究報(bào)告。

參考文獻(xiàn):

[1]國(guó)家核安全局.小型壓水堆核動(dòng)力廠安全審評(píng)原則(試行)[A].2016.

[2]Fundamental Safety Principles:IAEA No.SF-1[R],2006.

[3]Safety of Nuclear Power Plants:Design:IAEA SSR2/1[R],2016,1.