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(中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041)

“華龍一號”(HPR1000)是中國核工業(yè)集團(tuán)有限公司(簡稱“中核集團(tuán)”)和中國廣核集團(tuán)有限公司(簡稱“中廣核集團(tuán)”)基于30余年的核電研發(fā)、設(shè)計(jì)、建造、調(diào)試、運(yùn)行、管理等多領(lǐng)域的探索和經(jīng)驗(yàn)，歷經(jīng)10余年研發(fā)成功的具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的“三代”大型商用壓水堆核電機(jī)型。“華龍一號”機(jī)型以177組堆芯、雙層安全殼、能動(dòng)與非能動(dòng)相結(jié)合為典型技術(shù)特征[1]，滿足我國最新核安全法規(guī)要求，滿足國際三代核電技術(shù)的總體性能指標(biāo)要求。

2015年5月7日，“華龍一號”國內(nèi)首堆示范工程中核集團(tuán)福清核電廠5號機(jī)組開工建造，標(biāo)志著“華龍一號”自主化核電機(jī)型從研發(fā)和設(shè)計(jì)階段進(jìn)入了工程建造階段。2015年8月20日，“華龍一號”海外首堆示范工程巴基斯坦卡拉奇核電廠2號機(jī)組開工建造，標(biāo)志著“華龍一號”從國內(nèi)市場走向了海外市場，極大支持了核電“走出去”國家戰(zhàn)略。新型核電機(jī)型在國內(nèi)和國外同年開工建造，這在我國核電歷史上乃至世界核電發(fā)展史上尚屬首次，極大彰顯了我國核工業(yè)人的技術(shù)自信和管理自信。隨著“華龍一號”國內(nèi)外首堆示范機(jī)組成功建成，標(biāo)志著我國的大型商用核電設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)由原有的多年“跟跑”達(dá)到了與國際三代核電設(shè)計(jì)技術(shù)的“并跑”，并為今后的“領(lǐng)跑”奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

任何技術(shù)的發(fā)展如逆水行舟，不進(jìn)則退。核工業(yè)作為高科技技術(shù)產(chǎn)業(yè)，更應(yīng)保持持續(xù)的創(chuàng)新發(fā)展能力，只有這樣產(chǎn)品才有長期的市場生命力?！叭A龍一號”作為我國首個(gè)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的三代大型商用壓水堆核電機(jī)型，盡管已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)了與國際三代壓水堆核電機(jī)型(如法國EPR、美國AP1000、俄羅斯VVER1200、韓國APR1400等)同臺競技能力，但仍有優(yōu)化提升空間。隨著“華龍一號”國內(nèi)外首堆示范工程的建造成功，為了進(jìn)一步提升我國核電設(shè)計(jì)技術(shù)的競爭力，必須在現(xiàn)有“華龍一號”設(shè)計(jì)技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，持續(xù)開展設(shè)計(jì)優(yōu)化，從而提升和延續(xù)“華龍一號”市場生命力。

2015年5月，根據(jù)國家能源局的要求，中核集團(tuán)和中廣核集團(tuán)再次啟動(dòng)“華龍一號”技術(shù)融合工作。歷經(jīng)2年多時(shí)間，于2017年7月形成了“華龍一號”技術(shù)融合方案[2]，并作為后續(xù)“華龍一號”建造的基準(zhǔn)技術(shù)路線。同時(shí)，中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院作為反應(yīng)堆及一回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)責(zé)任方，在“華龍一號” 技術(shù)融合方案的基礎(chǔ)上，提出了多項(xiàng)設(shè)計(jì)改進(jìn)優(yōu)化，進(jìn)一步提升了“華龍一號”的安全性、經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性和成熟性。2019年10月，采用“華龍一號”融合技術(shù)方案的福建漳州核電廠1號機(jī)組正式開工建造。

本文就福建漳州核電廠1號、2號機(jī)組(簡稱“漳州項(xiàng)目”)“華龍一號”反應(yīng)堆及一回路系統(tǒng)和相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案進(jìn)行分析論證，給出漳州項(xiàng)目技術(shù)方案與福清核電廠5號、6號機(jī)組(簡稱“首堆示范工程”)技術(shù)方案的差異，供相關(guān)各方人員參考，并提出后續(xù)持續(xù)優(yōu)化的方向和技術(shù)路線，為后續(xù)持續(xù)優(yōu)化提供建議。

1 設(shè)計(jì)優(yōu)化來源和基本思路

設(shè)計(jì)優(yōu)化的來源主要基于三個(gè)方面，一是國內(nèi)外核安全法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)升級要求；二是技術(shù)水平提升優(yōu)化，三是首堆示范工程的經(jīng)驗(yàn)反饋以及同類機(jī)型的經(jīng)驗(yàn)反饋優(yōu)化。

核安全法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)升級是一項(xiàng)長期工作，法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的升級是為了更好地規(guī)范包括設(shè)計(jì)在內(nèi)的各項(xiàng)工作。2017年9月，我國頒布了首部《中華人民共和國核安全法》：2016年10月，我國國家核安全局發(fā)布了HAF102《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》;2019年4月,國家核安全局發(fā)布了《 “華龍一號”融合方案核電項(xiàng)目核安全審評原則》[3]，這些文件以及其它升版或新編的法規(guī)、導(dǎo)則、標(biāo)準(zhǔn)的陸續(xù)發(fā)布，對“華龍一號”設(shè)計(jì)方案優(yōu)化有強(qiáng)制性指導(dǎo)意義。另外，國際上包括國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)在內(nèi)的有關(guān)核組織以及核電強(qiáng)國的標(biāo)準(zhǔn)升級，如IAEA SSG-30《核電廠構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件的安全分級》[4]的采用，也對“華龍一號”設(shè)計(jì)優(yōu)化有借鑒參考價(jià)值。同時(shí)，監(jiān)管部門的審評要求也應(yīng)在設(shè)計(jì)方案中予以落實(shí)。

自2015年 “華龍一號” 國內(nèi)外首堆示范機(jī)組開工建造以來，隨著相關(guān)科研項(xiàng)目的順利結(jié)題，以及審評、設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、現(xiàn)場施工、安裝、調(diào)試、運(yùn)行等各項(xiàng)工作的深入開展，經(jīng)驗(yàn)反饋項(xiàng)逐漸出現(xiàn)，必須全部落實(shí)在“華龍一號”設(shè)計(jì)優(yōu)化方案中。同時(shí)，隨著國內(nèi)世界首個(gè)AP1000核電機(jī)型和EPR三代核電機(jī)型建成投產(chǎn)，作為同類三代壓水堆核電機(jī)型，其經(jīng)驗(yàn)反饋對“華龍一號”設(shè)計(jì)方案優(yōu)化有借鑒和參考意義。另外，國內(nèi)外二代壓水堆核電運(yùn)行機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，也有良好的借鑒意義。

設(shè)計(jì)水平提升來自于設(shè)計(jì)理念創(chuàng)新和科研成果?！叭A龍一號”首堆示范工程建造的同時(shí)，核電從業(yè)者并未停止對核安全理念的思考，核電技術(shù)研發(fā)并未停步，科研成果不斷涌現(xiàn)，新產(chǎn)品經(jīng)過鑒定和驗(yàn)證具備工程使用條件。同時(shí)，設(shè)計(jì)方案創(chuàng)新與優(yōu)化也在持續(xù)進(jìn)行。這些將全部經(jīng)過論證評價(jià)后體現(xiàn)在漳州項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案中。

來自于并不局限于上述三個(gè)方面的設(shè)計(jì)優(yōu)化，任何一項(xiàng)設(shè)計(jì)優(yōu)化必須認(rèn)真梳理設(shè)計(jì)優(yōu)化的影響范圍和影響項(xiàng)，針對每一影響項(xiàng)，應(yīng)開展設(shè)計(jì)影響評價(jià)，并形成閉環(huán)管理。任何一項(xiàng)設(shè)計(jì)優(yōu)化必須以確保安全性的前提下在漳州“華龍一號”設(shè)計(jì)方案予以實(shí)施。設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)是在安全性、先進(jìn)性、成熟性和經(jīng)濟(jì)性四個(gè)方面得到全面提升，但是，這四個(gè)方案又存在相互依賴和制約。因此，優(yōu)化工作本著“確保安全性、兼顧成熟性、提升經(jīng)濟(jì)性、強(qiáng)化先進(jìn)性”的指導(dǎo)原則，在四個(gè)方面開展平衡設(shè)計(jì)，形成了“華龍一號”漳州項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案[4]。

2 反應(yīng)堆堆芯設(shè)計(jì)優(yōu)化

“華龍一號”首堆示范工程反應(yīng)堆采用177組12英尺燃料組件，堆芯熱功率3050 MW[5]。漳州項(xiàng)目“華龍一號”改進(jìn)方案仍然采用177組12英尺燃料組件，以反應(yīng)堆功率提升為主要目標(biāo)，同時(shí)對堆芯設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化。兩種設(shè)計(jì)方案反應(yīng)堆主參數(shù)見表1。

表1 “華龍一號” 改進(jìn)方案與首堆方案反應(yīng)堆主參數(shù)對比Table 1 Comparison of reactor main parametersbetween improved and demostration HPR1000

3 運(yùn)行模式的功能要求

“華龍一號”漳州項(xiàng)目反應(yīng)堆設(shè)計(jì)方案實(shí)施了以下優(yōu)化改進(jìn)：

(1)反應(yīng)堆堆芯熱功率提升

“華龍一號” 漳州項(xiàng)目反應(yīng)堆堆芯熱功率由原來首堆示范工程方案的3050 MW提升至3180 MW，提升了4.26%，使得機(jī)組額定電功率由原來的1161 MW提升至1212 MW，提高了機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。堆芯平均線功率密度由173.8 W/cm提升至181.2 W/cm，仍然低于二代加M310機(jī)型的186 W/cm，從而使得堆芯仍具有15%熱工裕量。同時(shí)，配合反應(yīng)堆功率提升，反應(yīng)堆流量提高了2.89%(熱工設(shè)計(jì)流量)，使得反應(yīng)堆壓力容器出口溫度不超過330 ℃，保證偏離泡核沸騰比(DNBR)仍能滿足安全準(zhǔn)則要求。增加8組控制棒組件，增大了停堆裕量。提高焓升因子FΔH和熱點(diǎn)因子FQ，有利于堆芯功率分布設(shè)計(jì)。通過這些措施，不僅使得反應(yīng)堆堆芯熱功率提升后仍滿足相關(guān)安全準(zhǔn)則要求，并為燃料管理策略改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

(2)首循環(huán)采用Gd2O3可燃毒物

“華龍一號” 首堆示范工程首循環(huán)采用硼硅玻璃管作為可燃毒物，后續(xù)循環(huán)采用Gd2O3可燃毒物。硼硅玻璃管的使用不利于放射性固體廢物最小化。在 “華龍一號” 漳州項(xiàng)目反應(yīng)堆設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合反應(yīng)堆功率提升設(shè)計(jì)方案，在首循環(huán)和后續(xù)循環(huán)直接采用一體化載釓燃料棒作為可燃毒物[4]，解決了硼硅玻璃管對放射性固體廢物最小化的影響問題，同時(shí)也解決了硼硅玻璃管進(jìn)口受限問題。

(3)燃料管理策略改進(jìn)

“華龍一號”首堆示范工程首循環(huán)堆芯燃料組件分三區(qū)裝載，對應(yīng)三種富集度分別為1.8%、2.4%、3.1%，首循環(huán)循環(huán)長度336EFPD(有限滿功率天)。從第二循環(huán)開始，采用低泄漏裝載方式，每次裝入68個(gè)新燃料組件，同時(shí)卸出68個(gè)燃耗較深或者富集度較低的燃料組件。第二循環(huán)裝入3.9%富集度的新燃料組件。從第三循環(huán)開始，裝入 4.45%富集度的新燃料組件，到第五循環(huán)達(dá)到平衡循環(huán)，循環(huán)長度達(dá)到475EFPD。

為了進(jìn)一步提升機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，“華龍一號” 漳州項(xiàng)目反應(yīng)堆設(shè)計(jì)在反應(yīng)堆功率提升、采用Gd2O3可燃毒物的基礎(chǔ)上，對反應(yīng)堆堆芯燃料管理方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化[4]，首循環(huán)燃料堆芯燃料組件分四批裝載，四批燃料組件對應(yīng)的富集度分別為1.8%、2.4%、3.1%和3.9%。從第二循環(huán)開始，每次裝入兩種不同富集度的新燃料組件(72組)，富集度分別為4.45%(48組)和4.95%(24組)。堆芯裝載采用低泄漏布置模式。平衡循環(huán)循環(huán)長度達(dá)到495EFPD。優(yōu)化后的燃料管理方案使得首循環(huán)和平衡循環(huán)的循環(huán)長度得到延長，提高了機(jī)組可利用率。同時(shí)，通過燃料裝載策略優(yōu)化，將60年壽期末反應(yīng)堆壓力容器堆芯筒體內(nèi)表面中子注量由首堆示范工程的3.352×1019n/cm2(E>1.0 MeV)降低至2.298×1019n/cm2(E>1.0 MeV)，提升了反應(yīng)堆壓力容器的運(yùn)行安全性，為今后機(jī)組延壽奠定了更加良好的基礎(chǔ)。

(4)刻棒技術(shù)方法改進(jìn)

在核反應(yīng)堆首循環(huán)及后續(xù)循環(huán)的裝換料、啟動(dòng)和功率運(yùn)行中需要進(jìn)行反應(yīng)堆堆芯的物理試驗(yàn)，在零功率物理試驗(yàn)階段的一項(xiàng)重要試驗(yàn)內(nèi)容是測量控制棒組的積分價(jià)值?！叭A龍一號”首堆示范工程采用硼刻棒法和棒刻棒法進(jìn)行控制棒價(jià)值測量。在“華龍一號” 漳州項(xiàng)目中對刻棒技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，采用動(dòng)態(tài)刻棒方法，基于逆動(dòng)態(tài)方法測量控制棒價(jià)值，通過預(yù)先計(jì)算修正因子修正通量分布畸變和探測器位置的影響，既提高了棒價(jià)值的測量精度又可以縮短啟動(dòng)物理試驗(yàn)時(shí)間，同時(shí)減少了硼廢水產(chǎn)生量。該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在運(yùn)行核電機(jī)組得到應(yīng)用，結(jié)果表明技術(shù)是成熟可靠的。在漳州項(xiàng)目的使用不存在技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

4 反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)包括反應(yīng)堆壓力容器(含支承、保溫結(jié)構(gòu)、輻照監(jiān)督結(jié)構(gòu))、堆內(nèi)構(gòu)件、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、堆頂結(jié)構(gòu)等設(shè)備。反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化主要來自于三個(gè)方面，一是來自于經(jīng)驗(yàn)反饋，主要有反應(yīng)堆壓力容器保溫結(jié)構(gòu)屏蔽材料改進(jìn)；二是適應(yīng)反應(yīng)堆功率提升的設(shè)計(jì)優(yōu)化，主要有增加8組控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、反應(yīng)堆流量提升；三是來自于技術(shù)提升優(yōu)化，包括采用耐高溫線圈的ML-B+型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、輻照監(jiān)督探測器設(shè)置優(yōu)化等。

(1)增加8組控制棒組件

“華龍一號”首堆示范工程采用61組控制棒組件，控制棒組件按功能分為兩類，即控制棒組和停堆棒組?？刂瓢艚M(36組)由功率補(bǔ)償棒(G1、G2、N1和N2)和溫度調(diào)節(jié)棒(R)構(gòu)成。功率補(bǔ)償棒用于補(bǔ)償功率變化時(shí)所引入的反應(yīng)性變化；溫度調(diào)節(jié)棒用于調(diào)節(jié)堆芯平均溫度，補(bǔ)償反應(yīng)性的細(xì)微變化和控制軸向功率偏差。停堆棒組SA、SB、SC(25組)的功能是確保反應(yīng)堆停堆所必需的負(fù)反應(yīng)性。由于反應(yīng)堆功率提升以及燃料管理策略優(yōu)化等改進(jìn)項(xiàng)的實(shí)施，為了保證停堆裕量滿足要求,“華龍一號” 漳州項(xiàng)目增加了8組控制棒組件，新增組件均歸類為停堆棒組(SD組)。計(jì)算結(jié)果表明，增加8組控制棒組件使得停堆裕量提升約1000 pcm，提升了機(jī)組安全性，確保了相關(guān)事故分析滿足安全準(zhǔn)則要求。漳州項(xiàng)目“華龍一號”控制棒組件布置見圖1。

圖1 “華龍一號” 漳州項(xiàng)目控制棒組件布置圖Fig.1 The layout of control rod assemblies for Zhangzhou HPR1000 Project

增加8組控制棒組件，反應(yīng)堆壓力容器、堆內(nèi)構(gòu)件、堆頂結(jié)構(gòu)隨之進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)。結(jié)合前期的相關(guān)試驗(yàn)，分析評價(jià)表明，這些設(shè)備的改進(jìn)滿足相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求[4]。

(2)采用耐高溫線圈的ML-B+型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

“華龍一號”首堆示范工程采用自主研發(fā)的ML-B型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用220級線圈，溫度指數(shù)為220 ℃，設(shè)計(jì)保守評價(jià)線圈使用時(shí)間約20年。中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院和四川華都核設(shè)備有限公司聯(lián)合對線圈材料包括骨架材料、絕緣繞組線、浸漬漆、保護(hù)罩等方面進(jìn)行改進(jìn)，研發(fā)成功了440級耐高溫線圈，線圈絕緣結(jié)構(gòu)運(yùn)行溫度不高于405 ℃時(shí)的壽命可達(dá)60年，并提高了線圈的運(yùn)行可靠性。同時(shí)完成了線圈的輻照試驗(yàn)和熱老化試驗(yàn)、與ML-B型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合的熱態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用440級耐高溫線圈的ML-B型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(型號定為ML-B+)，能夠滿足 “華龍一號” 漳州項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)要求，也極大提升了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈的使用壽命和運(yùn)行可靠性，為取消堆頂通風(fēng)奠定了基礎(chǔ)。

5 一回路系統(tǒng)及其設(shè)備設(shè)計(jì)優(yōu)化

一回路系統(tǒng)及其設(shè)備設(shè)計(jì)優(yōu)化主要包括反應(yīng)堆功率提升、反應(yīng)堆流量提升、穩(wěn)壓器容積增大、蒸汽發(fā)生器(SG)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)、主泵換型、余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)等。一回路系統(tǒng)及其設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)對比見表2。

表2 “華龍一號” 改進(jìn)方案與首堆方案一回路系統(tǒng)參數(shù)對比Table 2 Comparison of primary system main parametersbetween the improved and demostration HPR1000

(1)反應(yīng)堆功率和流量提升

“華龍一號” 漳州項(xiàng)目反應(yīng)堆熱功率由3050 MW提升至3180 MW，一回路系統(tǒng)包括反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)、余熱排出系統(tǒng)、化學(xué)與容積控制系統(tǒng)等，二回路系統(tǒng)包括主給水系統(tǒng)、主蒸汽系統(tǒng)、大氣排放系統(tǒng)、啟動(dòng)給水系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)等都需要在系統(tǒng)容量和設(shè)備容量方面進(jìn)行設(shè)計(jì)評價(jià)和提升。通過相關(guān)分析論證，對相關(guān)受影響的系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，滿足了相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求。

反應(yīng)堆功率提升引起反應(yīng)堆冷卻劑流量相應(yīng)提升，最佳估算流量從23 790 m3/h提升至24 680 m3/h，機(jī)械設(shè)計(jì)流量從24 740 m3/h提升至25 670 m3/h，需要對反應(yīng)堆冷卻劑管道規(guī)格、反應(yīng)堆冷卻泵揚(yáng)程、堆內(nèi)構(gòu)件下腔室流量分配、堆內(nèi)構(gòu)件流致振動(dòng)等方面進(jìn)行評價(jià)分析。通過分析論證，反應(yīng)堆冷卻劑流速、堆內(nèi)構(gòu)件下腔室流量分配、堆內(nèi)構(gòu)件流致振動(dòng)均滿足相關(guān)準(zhǔn)則要求。由于流量提升導(dǎo)致反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、反應(yīng)堆冷卻劑管道流動(dòng)阻力增大，導(dǎo)致反應(yīng)堆冷卻泵揚(yáng)程需求從95.5 m增大至101.4 m。

(2)穩(wěn)壓器容積增大

穩(wěn)壓器容積設(shè)計(jì)取決于機(jī)組從熱態(tài)零功率到熱態(tài)滿功率一回路水裝量的變化，以及機(jī)組運(yùn)行過程中負(fù)荷波動(dòng)引起的瞬態(tài)波動(dòng)緩解能力。“華龍一號”首堆示范工程穩(wěn)壓器容積從M310機(jī)組的40 m3提高到51 m3，穩(wěn)壓器內(nèi)汽水容積比為2∶3(100%FP)，滿足相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求。 “華龍一號” 漳州項(xiàng)目由于反應(yīng)堆功率提升，對穩(wěn)壓器容積、安全閥排量、噴霧閥流量、電加熱元件功率等進(jìn)行了分析論證。在現(xiàn)有穩(wěn)壓器隔間不擴(kuò)大的條件下，通過擴(kuò)大穩(wěn)壓器內(nèi)徑提高穩(wěn)壓器容積至53 m3，同時(shí)提高穩(wěn)壓器內(nèi)汽水容積比至4∶5(100%FP)，并提高穩(wěn)壓器安全閥額定排量和噴霧閥流量，保證了 “華龍一號” 漳州項(xiàng)目二類和三類工況運(yùn)行事故分析和超壓分析滿足準(zhǔn)則要求，同時(shí)進(jìn)一步緩解了機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)導(dǎo)致的瞬態(tài)波動(dòng)，提高了機(jī)組的可運(yùn)行性。

(3)蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)

由于反應(yīng)堆熱功率從3050 MW提升至3180 MW，核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)(NSSS)從3060 MW提升至3190 MW，每臺蒸汽發(fā)生器額定熱負(fù)荷從1020 MW增大至1063.3 MW。通過對蒸汽發(fā)生器熱工水力計(jì)算分析，“華龍一號”首堆示范工程采用的ZH65蒸汽發(fā)生器仍能滿足總體要求，在不必增大傳熱面積的情況下，盡管蒸汽壓力下降了～1%。但由于蒸汽產(chǎn)量增加了4.2%，機(jī)組額定電功率從1161 MW提高至1212 MW，核電廠熱效率仍達(dá)到了38%。由于熱負(fù)荷增加導(dǎo)致給水流量相應(yīng)增加，為了保證蒸汽發(fā)生器循環(huán)倍率大于3，將二次側(cè)下降通道寬度增大了20 mm，下部筒體內(nèi)徑增加40 mm。

(4)反應(yīng)堆冷卻劑泵換型

“華龍一號”首堆示范工程采用哈爾濱電機(jī)廠與奧地利Andritz公司聯(lián)合設(shè)計(jì)和制造的軸封型軸流式反應(yīng)堆冷卻劑泵(主泵)。“華龍一號” 漳州項(xiàng)目采用了上海電氣上海凱士比泵閥有限公司(SEC-KSB)/德國KSB AG公司/德國Siemens公司聯(lián)合設(shè)計(jì)和制造的軸封型混流式主泵。盡管兩種主泵采用為軸封型密封形式，但是，由于兩型主泵設(shè)計(jì)技術(shù)路線差異，以及反應(yīng)堆冷卻劑流量和揚(yáng)程提升，導(dǎo)致主泵結(jié)構(gòu)、樑模型、外形尺寸、水力特性、工藝接口、控制要求、電氣要求等多方面發(fā)生變化。同時(shí)，由于反應(yīng)堆及反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求基本固化，且廠房主泵隔間設(shè)計(jì)無法進(jìn)行大的調(diào)整，必須充分協(xié)調(diào)主泵設(shè)計(jì)方案和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的匹配性，在兩方面都滿足相關(guān)準(zhǔn)則要求的前提下，才能實(shí)現(xiàn)主泵換型設(shè)計(jì)改進(jìn)。通過3年多的設(shè)計(jì)溝通與交流，設(shè)計(jì)方案不斷優(yōu)化，最終確定了主泵設(shè)計(jì)方案和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，保證了漳州項(xiàng)目設(shè)備采購工作的順利開展，同時(shí)為“華龍一號”提供了更多的主泵選擇方案。

(5)余熱排出系統(tǒng)(RHR系統(tǒng))設(shè)計(jì)優(yōu)化

“華龍一號”首堆示范工程RHR系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案見圖2。在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)溫度低于180 ℃和壓力低于2.8 MPa(a)RHR系統(tǒng)接入，使得反應(yīng)堆冷卻劑溫度以可控速率降低到冷停堆溫度，確保反應(yīng)堆處于安全狀態(tài)。RHR系統(tǒng)從反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)2號環(huán)路熱段管嘴引出，在安全殼內(nèi)匯合后出安全殼，分為兩列分別通過余熱排出泵增壓后匯合，又分為兩列分別通過余排冷卻器冷卻后再次匯合，進(jìn)入安全殼內(nèi)后分為兩列分別返回反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)1號環(huán)路和3號環(huán)路冷段。

圖2 “華龍一號”首堆示范工程RHR流程圖Fig.2 Flowchart of the RHR system for the demostration HPR1000

“華龍一號” 漳州項(xiàng)目采用了IAEA SSG30《核電廠構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件的安全分級》，根據(jù)新的分級準(zhǔn)則要求，原RHR系統(tǒng)由于母管設(shè)置方式不滿足單一故障要求，因此提出了設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)方案,見圖3。優(yōu)化改進(jìn)方案將RHR系統(tǒng)分為相對獨(dú)立的兩列，分別從反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)2號環(huán)路和3號環(huán)路熱段引出，經(jīng)過各自對應(yīng)的余熱排出泵和余排冷卻器冷卻后，分別返回至反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)3號環(huán)路和1號環(huán)路冷段。為了避免一臺余熱排出泵和余排冷卻器冷卻故障不可用導(dǎo)致系統(tǒng)不可用，在余熱排出泵入口、余熱排出泵出口、余排冷卻器下游分別設(shè)置了橋管。同時(shí)，對余熱排出系統(tǒng)安全閥和入口隔離閥設(shè)置進(jìn)行了優(yōu)化。改進(jìn)后的RHR系統(tǒng)滿足了新的分級要求。

圖3 “華龍一號"漳州項(xiàng)目RHR流程圖Fig.3 Flow chart of the RHR system for Zhangzhou HPR1000 Project

6 相關(guān)儀控系統(tǒng)優(yōu)化

(1)棒控棒位系統(tǒng)(RPC系統(tǒng))設(shè)計(jì)改進(jìn)

由于 “華龍一號” 漳州項(xiàng)目增加了8組控制棒組件，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(CRDM)數(shù)量從61臺增加至69臺。RPC系統(tǒng)按照1個(gè)棒控電源柜控制4臺控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和1個(gè)棒位測量柜測量18束控制棒組件的棒位的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因此，漳州項(xiàng)目“華龍一號”將棒控電源柜由16個(gè)增加至18個(gè)；棒位探測器由61個(gè)增加至69個(gè)；棒位測量柜增加8個(gè)測量通道，測量柜數(shù)量仍然維持4個(gè)不變；堆頂連接板上棒控連接器和棒位連接器增加8套。RPC系統(tǒng)改進(jìn)滿足了增加了8組控制棒組件總體要求。

(2)多樣性保護(hù)系統(tǒng)(DAS系統(tǒng))設(shè)計(jì)改進(jìn)

在反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生軟件共因故障的情況下，多樣性保護(hù)系統(tǒng)(DAS)的設(shè)置提供了一種保護(hù)手段來保護(hù)反應(yīng)堆安全，從而滿足縱深防御和多樣性準(zhǔn)則要求。在“華龍一號”首堆示范工程中，DAS系統(tǒng)采用與過程控制系統(tǒng)相同的非安全級數(shù)字化控制系統(tǒng)(DCS)平臺，存在DAS系統(tǒng)于過程控制系統(tǒng)發(fā)生軟件共因故障的風(fēng)險(xiǎn)。為了進(jìn)一步提高控制和保護(hù)系統(tǒng)可靠性，在 “華龍一號” 漳州項(xiàng)目設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，將DAS系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置在不同的平臺，并遵循多樣性和獨(dú)立性設(shè)計(jì)原則。三個(gè)系統(tǒng)之間采用最大限度的實(shí)體隔離和電氣隔離，DAS系統(tǒng)不接收反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)軟件處理后的信號，也不送出信號參與反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)軟件的處理，僅與反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)共用驅(qū)動(dòng)接口。該設(shè)計(jì)方案有效解決了DAS系統(tǒng)與反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)發(fā)生軟件共因故障的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步提高了機(jī)組運(yùn)行安全性。

7 相關(guān)安全系統(tǒng)系統(tǒng)優(yōu)化

相關(guān)安全系統(tǒng)主要指應(yīng)對設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的專設(shè)安全系統(tǒng)和應(yīng)對設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況的嚴(yán)重事故預(yù)防和緩解安全系統(tǒng)。相關(guān)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)主要有：

(1)專設(shè)安全系統(tǒng)容量增加

“華龍一號” 漳州項(xiàng)目反應(yīng)堆熱功率提升至3180 MW后，相關(guān)專設(shè)安全系統(tǒng)包括安全注入系統(tǒng)、輔助給水系統(tǒng)的總體技術(shù)方案仍與首堆示范工程方案一致，但是系統(tǒng)容量進(jìn)行了適應(yīng)性提升。安注系統(tǒng)，低壓安注最小安注流量提升了10%，最大流量不變。輔助給水流量增加情況：Ⅱ和Ⅳ工況最小輔助給水流量要求增加10%以上。這些設(shè)計(jì)改進(jìn)有效保證了在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下反應(yīng)堆的安全性。

(2)二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)(PRS系統(tǒng))設(shè)計(jì)改進(jìn)

“華龍一號” PRS系統(tǒng)采用三個(gè)系列，每個(gè)系列對應(yīng)一臺蒸汽發(fā)生器(見圖4)。在全廠斷電(SBO)工況下輔助給水流量低疊加蒸汽發(fā)生器水位低組合信號出現(xiàn)后，該系統(tǒng)根據(jù)自動(dòng)投入運(yùn)行，帶出反應(yīng)堆堆芯余熱。首堆示范工程該系統(tǒng)每個(gè)系列設(shè)置了2臺18 m3的應(yīng)急補(bǔ)水箱，在PRS系統(tǒng)投入60 s后，應(yīng)急補(bǔ)水箱自動(dòng)投入，補(bǔ)償蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水位。

圖4 首堆示范工程PRS系統(tǒng)流程簡圖Fig.4 Schematic of the PRS system for the demostration HPR1000

“華龍一號” 漳州項(xiàng)目結(jié)合該系統(tǒng)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，在考慮反應(yīng)堆功率提升改進(jìn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，分析評價(jià)了取消應(yīng)急補(bǔ)水箱對相關(guān)專業(yè)的影響，包括安全分析、設(shè)備性能、布置、運(yùn)行等方面。評價(jià)結(jié)果表明，取消補(bǔ)水箱后，反應(yīng)堆冷卻劑溫度和壓力持續(xù)下降，能夠滿足PRS系統(tǒng)在事故工況下的帶熱需求，同時(shí)，相關(guān)專業(yè)的影響也在可接受范圍內(nèi)。 “華龍一號” 漳州項(xiàng)目取消應(yīng)急補(bǔ)水箱(見圖5)后，相關(guān)閥門和儀表也相應(yīng)取消，相對于首堆示范工程節(jié)約采購費(fèi)用約5000余萬元。

圖5 “華龍一號”漳州項(xiàng)目PRS系統(tǒng)流程簡圖Fig.5 Schematic of the PRS system for Zhangzhou HPR1000 Project

(3)堆腔注水冷卻系統(tǒng)(CIS系統(tǒng))設(shè)計(jì)改進(jìn)

為了應(yīng)對燃料組件融化嚴(yán)重事故，“華龍一號”采用了IVR技術(shù)方案，設(shè)置了能動(dòng)和非能動(dòng)相結(jié)合的堆腔注水冷卻系統(tǒng)，將熔融物駐留在反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)，避免流出反應(yīng)堆壓力容器將堆坑熔穿。CIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案簡圖見圖6。

圖6 CIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案簡圖Fig.6 Schematic of the CIS system

“華龍一號”首堆示范工程采用嚴(yán)重事故下堆芯熔融物滯留在反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)的設(shè)計(jì)技術(shù)(IVR)，CIS系統(tǒng)設(shè)置了一臺堆腔注水冷卻水箱，兩個(gè)能動(dòng)注水系列按2×100%冗余配置，并接入附加柴油發(fā)電機(jī)組在正常電源和應(yīng)急電源喪失工況下提供電源。在全廠斷電(SBO)疊加大LOCA在內(nèi)的各種嚴(yán)重事故工況(附加柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組可用)，前期4 h CIS泵從消防水池取水，以450～400 m3/h(一個(gè)能動(dòng)系列)流量注入保溫層，對反應(yīng)堆壓力容器下封頭進(jìn)行冷卻;后期切換至內(nèi)置換料水箱(IRWST)取水，以900 m3/h流量(一個(gè)能動(dòng)系列)進(jìn)行長期循環(huán)冷卻，實(shí)現(xiàn)堆芯熔融物滯留在反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)。在所有電源喪失(包括應(yīng)急柴油機(jī)和附加柴油發(fā)電機(jī)組)的嚴(yán)重事故工況下，堆腔注水冷卻水箱重力注入保溫層對反應(yīng)堆壓力容器下封頭進(jìn)行72 h冷卻。

為了減小嚴(yán)重事故后對大功率供電電源的需求，進(jìn)一步增強(qiáng)CIS系統(tǒng)應(yīng)對諸如全廠斷電疊加大LOCA等極端嚴(yán)重事故的能力，結(jié)合電廠SBO低壓柴油發(fā)電機(jī)組和附加柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)置情況，基于應(yīng)對設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況，無需考慮單一故障和冗余配置的設(shè)計(jì)理念?！叭A龍一號”漳州項(xiàng)目對CIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化,優(yōu)化設(shè)計(jì)方案主要是將兩個(gè)能動(dòng)注水系列2×100%配置降低為2×50%配置，CIS注水泵額定流量從900 m3/h調(diào)整為300 m3/h，高位堆腔注水冷卻水箱設(shè)置不變。在嚴(yán)重事故工況下，如果堆芯出口溫度達(dá)到650 ℃的時(shí)間達(dá)到8 h以上，操縱員開啟堆腔注水冷卻水箱下游的隔離閥，將水箱的水依靠重力注入保溫層對反應(yīng)堆壓力容器下封頭進(jìn)行72 h冷卻。如果堆芯出口溫度達(dá)到650 ℃的時(shí)間小于8 h或者無法判斷，操縱員啟動(dòng)兩個(gè)能動(dòng)注水系列從消防水池取水，4 h后切換至從IRWST取水，以約500 m3/h流量進(jìn)行長期循環(huán)冷卻。優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案使得CIS注水泵電源從中壓電源(10 kV)降低至低壓電源(380 V),接入附加柴油發(fā)電機(jī)電源調(diào)整至SBO柴油發(fā)電電源，降低了對應(yīng)急電源的容量需求，同時(shí)為附加柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)置優(yōu)化甚至取消提供了可能。通過反應(yīng)堆壓力容器外部冷卻臨界熱流密度試驗(yàn)對優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的CIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案滿足相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求。

8 其他設(shè)計(jì)改進(jìn)優(yōu)化

除上述設(shè)計(jì)改進(jìn)優(yōu)化項(xiàng)目外，“華龍一號”漳州項(xiàng)目反應(yīng)堆及一回路系統(tǒng)相對于首堆示范工程還實(shí)施了其他設(shè)計(jì)改進(jìn)，如反應(yīng)堆壓力容器輻照監(jiān)督探測器設(shè)置優(yōu)化改進(jìn)、主泵控制邏輯設(shè)計(jì)改進(jìn)、核儀表系統(tǒng)報(bào)警閾值設(shè)置改進(jìn)、主蒸汽安全閥設(shè)置改進(jìn)、穩(wěn)壓器水位測量設(shè)計(jì)改進(jìn)、穩(wěn)壓器壓力校準(zhǔn)裝置設(shè)置改進(jìn)等。在項(xiàng)目開展過程中，預(yù)計(jì)還有設(shè)計(jì)改進(jìn)項(xiàng)陸續(xù)提出并實(shí)施。

9 “華龍一號”后續(xù)設(shè)計(jì)提升優(yōu)化方向

隨著“華龍一號”首堆示范工程的順利建造和投入運(yùn)行，以及包括福建漳州核電廠1號、2號機(jī)組、海南昌江核電廠3號、4號機(jī)組等在內(nèi)的“華龍一號”小批量建造，“華龍一號”自主三代壓水堆機(jī)型設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行、維修等技術(shù)逐漸成熟。但是，任何技術(shù)不能原地踏步，“華龍一號”在技術(shù)方案、建造成本、建造周期等方面仍存在較大的提升空間，需要持續(xù)改進(jìn)優(yōu)化和革新設(shè)計(jì)，在確保安全性的前提下，進(jìn)一步提升“華龍一號”的經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性。改進(jìn)優(yōu)化和革新設(shè)計(jì)方向建議如下：

(1)自主化和創(chuàng)新性持續(xù)提升

進(jìn)一步提升自主化設(shè)計(jì)和國產(chǎn)化制造能力，核心技術(shù)要持續(xù)自主創(chuàng)新，避免受制于人，充分體現(xiàn)從“并跑”到“領(lǐng)跑”的能力和水平。

(2)安全性和經(jīng)濟(jì)性的平衡設(shè)計(jì)

應(yīng)防止過度片面提高安全目標(biāo)的傾向，制定既滿足核安全法規(guī)要求又符合現(xiàn)有技術(shù)水平的安全目標(biāo)。同時(shí)制定合理可行的經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)，探索以最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)所需的安全目標(biāo)。

(3)環(huán)境友好性提升

放射性廢物的產(chǎn)生和放射性核素向環(huán)境的排放滿足“合理可行盡量低(ALARA)”原則，運(yùn)行和事故后的放射性照射劑量滿足并超越國家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)國際組織標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)上實(shí)際消除大量放射性物質(zhì)釋放。

(4)建造成本和建造周期優(yōu)化

先進(jìn)技術(shù)和成熟技術(shù)相輔相成，平衡兼顧，在批量化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低建造成本，采取先進(jìn)的設(shè)計(jì)和建造理念，降低施工量和施工周期，減少建造人員投入。

(5)廠址適應(yīng)性擴(kuò)展

考慮通過標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)輸入或者采用先進(jìn)技術(shù)提高對國內(nèi)和國際各類廠址條件的適應(yīng)能力，擴(kuò)展廠址適應(yīng)范圍。開展電網(wǎng)需求分析，針對不同廠址運(yùn)行需求提供特征化設(shè)計(jì)運(yùn)行方式，如負(fù)荷跟蹤運(yùn)行方式、低功率運(yùn)行方式、延伸運(yùn)行方式等，從而使得機(jī)組與電網(wǎng)需求相適應(yīng)，盡可能提高機(jī)組運(yùn)行能力并降低運(yùn)行成本。

(6)智能化運(yùn)維水平提升

通過采用先進(jìn)可靠的自動(dòng)化和智能化技術(shù)，提升電廠智慧化運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和故障診斷分析水平，減少運(yùn)維人員需求和工作壓力，減低人因失誤。

(7)機(jī)組可利用率和負(fù)荷因子提升

通過提升燃料組件卸料燃耗以及優(yōu)化燃料管理策略，延長機(jī)組燃料循環(huán)長度。同時(shí)，優(yōu)化包括在役檢查、定期試驗(yàn)、預(yù)防性維修等在內(nèi)的大修項(xiàng)目和周期，縮短維修時(shí)間，進(jìn)一步提升機(jī)組可利用率。同時(shí)，通過采用高可靠性設(shè)備和產(chǎn)品，加強(qiáng)設(shè)備健康管理，提高設(shè)備故障在線監(jiān)測能力，避免過度維修帶來的隱患，從而提高機(jī)組運(yùn)行可靠性，進(jìn)一步提升機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷因子，達(dá)到提高電廠經(jīng)濟(jì)性的目的。

(8)簡化系統(tǒng)設(shè)備配置

通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在滿足安全功能和縱深防御策略的前提下進(jìn)一步擴(kuò)大非能動(dòng)系統(tǒng)使用范圍，合理簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備配置，合理減少設(shè)備和閥門數(shù)量，從而進(jìn)一步提升機(jī)組建造經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行可靠性。

10 結(jié)論

“華龍一號”自主三代壓水堆核電機(jī)型設(shè)計(jì)技術(shù)目前已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，形成了以“能動(dòng)+非能動(dòng)”為獨(dú)特技術(shù)特征的技術(shù)路線和技術(shù)方案。為了進(jìn)一步提升“華龍一號”的技術(shù)水平，擴(kuò)大市場份額，并實(shí)現(xiàn)“走出去”的國家戰(zhàn)略，“華龍一號”仍需要持續(xù)改進(jìn)優(yōu)化和創(chuàng)新設(shè)計(jì)?！叭A龍一號”漳州項(xiàng)目反應(yīng)堆及一回路系統(tǒng)和相關(guān)安全系統(tǒng)在首堆示范工程項(xiàng)目基礎(chǔ)上實(shí)施的設(shè)計(jì)改進(jìn)優(yōu)化，提升了“華龍一號”的經(jīng)濟(jì)性。初步分析評價(jià)表明，這些改進(jìn)優(yōu)化項(xiàng)對項(xiàng)目建造比投資降低約3%?！叭A龍一號”漳州項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案已經(jīng)成為中核集團(tuán)在國內(nèi)后續(xù)核電工程以及海外核電項(xiàng)目主推技術(shù)路線。另外，建議針對三代核電反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的技術(shù)升級研究應(yīng)長期持續(xù)開展，充分借鑒國內(nèi)多機(jī)型運(yùn)行的實(shí)際反饋經(jīng)驗(yàn)，參考國際先進(jìn)核電技術(shù)的發(fā)展步伐，緊密跟蹤和吸收其它各領(lǐng)域先進(jìn)理念、創(chuàng)新方法和先進(jìn)技術(shù)，兼容并舉。始終以“安全性”和“經(jīng)濟(jì)性”雙核心為發(fā)展導(dǎo)向，從而使我國大型商用壓水堆核電機(jī)型更好更遠(yuǎn)的發(fā)展。