賀軍，蔡報(bào)煒，武玉增

中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011

非能動(dòng)安全技術(shù)是指不使用電能、機(jī)械能等外部能源輸入，僅利用自然力或自然界自發(fā)現(xiàn)象的方式，例如重力，來(lái)使系統(tǒng)自發(fā)運(yùn)行的一種保證反應(yīng)堆安全的技術(shù)，目前非能動(dòng)安全系統(tǒng)已成為核動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)中的組成部分[1]。

非能動(dòng)安全是第三代核電技術(shù)的一個(gè)顯著特點(diǎn)，因其工作原理簡(jiǎn)單可靠，可有效降低堆芯熔毀概率[2]，減少能動(dòng)安全設(shè)施的配置，簡(jiǎn)化核動(dòng)力裝置的冗余設(shè)計(jì)，提高核動(dòng)力裝置的安全和經(jīng)濟(jì)性。非能動(dòng)余熱排出技術(shù)被認(rèn)為是二代堆和三代堆的主要區(qū)別之一[3]，目前在幾乎所有第三代與第四代新型反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)中，均采用了非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)[4]。對(duì)于船用核動(dòng)力裝置的孤島特性，非能動(dòng)余熱排出技術(shù)無(wú)疑具有重要的意義。

本文以船用核動(dòng)力裝置為研究對(duì)象，初步探討船用非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，以及不同設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)和可行性。

1 非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)技術(shù)路線

在核電領(lǐng)域，非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)既可以布置在一次側(cè)也可以布置在二次側(cè)。一般來(lái)說(shuō)，采用直流蒸汽發(fā)生器的核動(dòng)力系統(tǒng)多采用二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出方案[5]；而對(duì)于常采用自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的分散式布置堆型，則既有一次側(cè)非能動(dòng)余熱排出方案也有二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出方案[6]。

不同國(guó)家對(duì)于非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也存在一定的傾向性，例如美國(guó)西屋公司傾向于將非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)設(shè)置在主冷卻劑系統(tǒng)承壓邊界內(nèi)，即采用一次側(cè)余熱排出方案；而其他國(guó)家設(shè)計(jì)的壓水堆，其非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)則側(cè)重于設(shè)置在主冷卻劑承壓邊界外，采用二次側(cè)余熱排出方案[7]。

目前世界上主要第三代反應(yīng)堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案對(duì)比如表1 所示。

表1 第三代核電非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案比較

目前船用核動(dòng)力裝置絕大多數(shù)都是采用壓水堆的型式，逐步由分散式布置向一體化方向發(fā)展。由于船舶的特殊性，在核動(dòng)力裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)上與核電站還有較大差異，選擇一次側(cè)方案還是二次側(cè)方案，還需要考慮以下因素：

1）放射性的控制。與二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)相比，布置于一次側(cè)時(shí)可以相對(duì)減小對(duì)放射性的包容性[8]。

2）核動(dòng)力裝置整體尺寸及布局。一次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)中的換熱器需放在堆艙內(nèi)，這可能會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)堆艙的高度進(jìn)一步提高，相應(yīng)的總體空間及屏蔽重量都變大了。

3）一般來(lái)說(shuō)，一次側(cè)余熱排出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力和工作壓力可與反應(yīng)堆系統(tǒng)壓力相當(dāng)，工作介質(zhì)常處于單相流狀態(tài)；而二次側(cè)方案中的工作介質(zhì)則為汽液兩相流，且工作壓力相對(duì)較低，這也使得二次側(cè)方案下自然循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力更高，在冷熱芯高差沒(méi)有裕度的船用條件下，自然循環(huán)流量高。

綜上所述，對(duì)于船用核動(dòng)力裝置而言，在布置許可的情況下，非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)采用二次側(cè)的方案更加合理，也可以滿足一體化反應(yīng)堆對(duì)余熱排出系統(tǒng)的要求。

2 船用核動(dòng)力裝置非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)特殊性分析

1）空間緊湊，布置難度高。船用核動(dòng)力裝置受限于船體空間和重量的要求，首先需要考慮的就是資源的最優(yōu)化利用，必須將空間和安全性協(xié)同考慮。相比較而言，在核電廠中常見(jiàn)的PRHRS[9]系統(tǒng)中，一般會(huì)在反應(yīng)堆的頂部設(shè)置一只容量巨大的冷卻水箱，從而保證具有足夠的可靠熱阱和自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)力。而對(duì)于船用條件來(lái)說(shuō)，既沒(méi)有如此大的空間來(lái)提供可靠冷源，從布置、運(yùn)行上也不能接受，采用類似設(shè)計(jì)會(huì)大幅降低核動(dòng)力船舶的總體性能，只能另尋他徑。圖1 是華龍一號(hào)二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)示意圖。

圖1 華龍一號(hào)二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)示意

2）船用環(huán)境。在進(jìn)行船用核動(dòng)力裝置非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，另一個(gè)需重點(diǎn)考慮的因素是船用環(huán)境，即船舶會(huì)受到海洋條件的影響。例如，當(dāng)發(fā)生失電事故時(shí)，隨著反應(yīng)堆停堆，船舶失去主動(dòng)力，會(huì)整體隨海況進(jìn)行多自由度運(yùn)動(dòng)[10]。對(duì)于非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，非穩(wěn)態(tài)的外部運(yùn)動(dòng)條件可能會(huì)對(duì)自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)力形成影響，特別是非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)整體受到的慣性力和系統(tǒng)中冷源的可靠性問(wèn)題需要重視。

3）冷源的選擇。核動(dòng)力船舶獨(dú)立航行在大海上，非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)可以選擇的冷源有空氣、淡水和海水。若選擇空氣作為冷源，則空氣與換熱器傳熱管之間的換熱系數(shù)較低，將導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備尺寸過(guò)大，使得系統(tǒng)及設(shè)備對(duì)總體資源損耗巨大，可行性不高。而選擇淡水和海水作為冷源，其優(yōu)劣對(duì)比如表2 所示。

表2 不同冷源對(duì)船用非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的影響

海水是船舶運(yùn)行環(huán)境中的天然冷源，取之不盡用之不竭，對(duì)核動(dòng)力船舶來(lái)說(shuō)，海水作為最終熱阱應(yīng)是設(shè)計(jì)的首選。

3 采用不同冷源的非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)方案初步分析

3.1 海水換熱方案

對(duì)于水面船舶來(lái)說(shuō)，冷源（海水）和熱源（蒸汽發(fā)生器）的相對(duì)位置是限制自然循環(huán)能力的主要因素之一。一般來(lái)說(shuō)，核動(dòng)力船舶都在萬(wàn)噸以上，吃水線距離基線約在8～12 m，較為典型的如核動(dòng)力破冰船吃水約為8～11 m，核動(dòng)力航母(尼米茲、福特)吃水約為9～12 m。國(guó)外主要核動(dòng)力艦船的吃水情況詳見(jiàn)表3（數(shù)據(jù)來(lái)源于公開(kāi)軍事書(shū)籍[11]及互聯(lián)網(wǎng)，僅作參考。）。

表3 核動(dòng)力艦船主要參數(shù)

以美國(guó)核動(dòng)力航母的船型為例，選取吃水、水線寬等參數(shù)，結(jié)合蒸發(fā)器的相對(duì)位置，可大致將二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)布置如圖2 所示。

圖2 海水直接換熱示意

由圖2 可以看出，對(duì)于吃水約為12 m 左右的核動(dòng)力航母，其雙層底高度一般不小于h0=25B+42d+300 mm（B為船寬，d為吃水），或h0=B/20。根據(jù)公開(kāi)的主尺度數(shù)據(jù)，預(yù)估雙層底高度為2 m，蒸汽發(fā)生器距堆艙底部高度約3 m 左右（為了提高自然循環(huán)能力，蒸汽發(fā)生器一般高于反應(yīng)堆芯，參考國(guó)外反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)圖，壓力容器底部至主給水管道出口一般均在3 m 以上），蒸汽發(fā)生器高度約6 m[12]，其非能動(dòng)余熱排出蒸汽管路的高度已經(jīng)十分接近設(shè)計(jì)水線，海水側(cè)換熱器出口管路沒(méi)入水線不足1 m，幾乎沒(méi)有余量，在海洋搖擺環(huán)境下，很容易導(dǎo)致循環(huán)中斷。

同樣，對(duì)于核動(dòng)力破冰船型也存在著相同的問(wèn)題。所以，船用核動(dòng)力裝置非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)很難直接將熱量傳遞給海水，這也是選擇海水直接冷卻的主要矛盾。

3.2 淡水潛熱方案

根據(jù)核電反應(yīng)堆的余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量，一般設(shè)計(jì)負(fù)荷約為反應(yīng)堆總熱功率的2%左右。對(duì)于動(dòng)輒上百兆瓦的船用反應(yīng)堆，僅依靠有限的淡水溫升帶走這么多熱量對(duì)船舶來(lái)說(shuō)是不合理的，因此可行方案是利用相變所需要吸收的潛熱來(lái)把熱量帶走。

根據(jù)熱量守恒原理，百兆瓦反應(yīng)堆余熱排出72 h[13]，所需要的總沸騰水量約為

式中：常壓下水的汽化潛熱r1約為2 257.9 kJ/kg，從25 ℃加熱到100 ℃需要的比熱r2約為312.7 kJ/kg，P為某個(gè)時(shí)間段Δτ的平均功率。根據(jù)典型壓水堆衰變功率計(jì)算曲線（如圖3 所示），偏保守預(yù)估，每百兆瓦功率反應(yīng)堆72 h 發(fā)出的總熱量約為

圖3 典型衰變功率計(jì)算曲線

考慮淡水的自然散熱等因素，預(yù)計(jì)72 h 的總散熱量約為2.6×107kJ，則每百兆瓦功率反應(yīng)堆冷卻余熱需要的總沸騰水量M約為100 t。

對(duì)于重型破冰船（若推進(jìn)功率40 MW），需要常備約200 t 水；對(duì)于10 萬(wàn)t 級(jí)核動(dòng)力航母則需要常備約1 100 t 水。與此同時(shí)，沸騰淡水艙在保障方面會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題，如涂料、周邊艙室環(huán)境以及噪音等問(wèn)題。所以，盡管采用淡水作為冷源是一個(gè)可靠性較高的方案，但對(duì)資源的耗費(fèi)過(guò)大，可行性方面有一定限制。

4 以海水為冷源的緩沖水箱方案

考慮到采用海水直接作為冷源方案和淡水方案存在問(wèn)題，結(jié)合海水冷源的天然優(yōu)勢(shì)，本文提出可在堅(jiān)持以海水為冷源的基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決熱量導(dǎo)出的難點(diǎn)。即在系統(tǒng)中增設(shè)一只緩沖水箱，通過(guò)蒸汽側(cè)的自然循環(huán)將核動(dòng)力裝置二次側(cè)熱量導(dǎo)入緩沖水箱的淡水中，淡水升溫后加熱海水，通過(guò)海水側(cè)的自然循環(huán)將熱量導(dǎo)入舷外海水。緩沖水箱方案的系統(tǒng)原理如圖4 所示。

圖4 緩沖水箱方案布置

采用緩沖水箱方案有以下特點(diǎn)：

1）換熱器1 的布置位置較為靈活，船用環(huán)境對(duì)二次側(cè)（蒸汽側(cè)）帶來(lái)影響較小[14]，熱量可以連續(xù)導(dǎo)出；

2）換熱器2 的布置位置較為靈活，可以很大程度減少吃水高度限制；

3）緩沖水箱容量小，消耗船總體資源少；

4）緩沖水箱可以在事故初期快速建立循環(huán)，且具備冗余作用，吸收換熱過(guò)程中的溫度波動(dòng)，提高系統(tǒng)容錯(cuò)；

5）緩沖水箱布置于堆艙外側(cè)，有利于輻射屏蔽設(shè)計(jì)，同時(shí)可以兼做安注水箱等；

6）緩沖水箱內(nèi)可能存在溫度場(chǎng)梯度分布現(xiàn)象。

5 緩沖水箱方案仿真驗(yàn)證

以“尼米茲級(jí)”核動(dòng)力航母為假想對(duì)象，對(duì)緩沖水箱及冷卻器1 和2 進(jìn)行初步設(shè)計(jì)[15]。系統(tǒng)中主要參數(shù)列于表4。

表4 緩沖水箱方案主要參數(shù)表

本節(jié)采用RELAP5 系統(tǒng)分析程序，對(duì)船用核動(dòng)力裝置緩沖水箱方案進(jìn)行了仿真分析，計(jì)算工況為核動(dòng)力裝置長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，2 000 s 發(fā)生全船斷電事故工況。其中當(dāng)船舶整體處于相對(duì)穩(wěn)態(tài)時(shí)，其計(jì)算結(jié)果列于圖5～圖7，其中，無(wú)量綱相對(duì)流量為該時(shí)刻流量與最大流量的比值。

圖5 換熱器1 蒸汽流量變化計(jì)算結(jié)果

圖6 換熱器2 海水流量變化計(jì)算結(jié)果

圖7 緩沖水箱不同高度處水溫變化計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)斷電事故發(fā)生后，與蒸汽發(fā)生器直接相連的換熱器1 中迅速建立較為穩(wěn)定的自然循環(huán)，經(jīng)由換熱器1 流過(guò)的蒸汽相對(duì)流量穩(wěn)定值約為峰值流量的24%，系統(tǒng)整體上運(yùn)行平穩(wěn)；在海水側(cè)換熱器中，經(jīng)過(guò)短時(shí)間啟動(dòng)階段后，海水側(cè)可以建立穩(wěn)定的自然循環(huán)。相應(yīng)的，緩沖水箱內(nèi)水溫逐漸上升，最終水箱上部水溫約比初始值升高約46 ℃，余熱排出系統(tǒng)達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

圖8～圖10 則分別給出了相同工況下，當(dāng)船舶處于搖擺狀態(tài)時(shí)的仿真計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明，在搖擺條件下，換熱器1 中的循環(huán)流量、換熱器2 中的海水自然循環(huán)流量均受搖擺條件的影響，產(chǎn)生擬周期性的波動(dòng)。由圖10 中緩沖水箱中水溫模擬結(jié)果可以看出，搖擺條件下，水箱內(nèi)不同高度處工作介質(zhì)的溫度趨于一致，整體溫度波動(dòng)不大。這說(shuō)明在所研究搖擺工況下，海水作為最終冷源仍可以將剩余功率帶走。

圖8 換熱器1 蒸汽流量變化仿真計(jì)算結(jié)果

圖9 換熱器2 海水流量變化仿真計(jì)算結(jié)果

圖10 緩沖水箱不同高度處水溫變化仿真計(jì)算結(jié)果

6 結(jié)論

根據(jù)上述分析，本文得出如下主要結(jié)論：

1）綜合比較各種二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)方案，推薦在核動(dòng)力船舶中采用二次側(cè)緩沖水箱方案的非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)。

2）本文提出的案例中，二次側(cè)緩沖水箱非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)，總體可行。

3）當(dāng)不考慮搖擺條件影響時(shí)，二次側(cè)緩沖水箱方案中海水側(cè)管路完全浸沒(méi)在水線以下，可以依靠海水自然循環(huán)導(dǎo)出緩沖水箱熱量。盡管緩沖水箱內(nèi)會(huì)有溫度分層，但是溫度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，不會(huì)發(fā)生沸騰。

4）在搖擺狀態(tài)下，盡管系統(tǒng)海水側(cè)管路可能會(huì)露出水面，但是依靠艦船搖擺的慣性以及止回閥的設(shè)計(jì)可以保證系統(tǒng)不會(huì)失流，且仿真結(jié)果顯示，海水側(cè)循環(huán)效果會(huì)增強(qiáng)，緩沖水箱內(nèi)溫度分層現(xiàn)象會(huì)隨幅度增大而減小。