中核蘇能核電有限公司 劉汝衛(wèi) 劉得印 韓 偉

在清華大學(xué)10MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆的基礎(chǔ)上，反應(yīng)堆功率放大20倍，20萬kW級的石島灣高溫氣冷堆示范工程（HTRPM）于2012年12月開工建設(shè)，于2023年12月完成168h連續(xù)運(yùn)行考驗(yàn)，并正式投入商業(yè)運(yùn)行。同時(shí)，為了進(jìn)一步推廣高溫氣冷堆的發(fā)展和市場應(yīng)用，60萬kW高溫氣冷堆（HTR-PM600）已進(jìn)入施工設(shè)計(jì)階段，后續(xù)將按計(jì)劃開展建設(shè)任務(wù)，可用于發(fā)電、高溫工藝供熱及高溫制氫等領(lǐng)域。

1 HTR-PM整體調(diào)試及運(yùn)行情況

主氦風(fēng)機(jī)、蒸汽發(fā)生器、控制棒、吸收球等核島主系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行正常。燃料裝卸系統(tǒng)自動運(yùn)行，每天換料速度平均可達(dá)5000球/堆，裝卸超過100萬個(gè)燃料球。余熱排出、負(fù)壓通風(fēng)、設(shè)冷水、支撐冷卻、一二回路隔離、蒸發(fā)器事故排放等系統(tǒng)運(yùn)行正常，儀控和反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行正常。汽輪發(fā)電組、主給水、軸封及真空等主輔系統(tǒng)整體滿足要求。一回路劑量水平和雜質(zhì)含量、廠房劑量水平、水汽油品質(zhì)等參數(shù)整體滿足要求。

2023年8～9月，HTR-PM機(jī)組1號堆緊急停堆試驗(yàn)與2號堆緊急停堆試驗(yàn)順利完成，反應(yīng)堆在200MWt功率水平下安全停堆，反應(yīng)堆物理、熱工參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。2023年8月，HTR-PM機(jī)組失去廠外電源試驗(yàn)順利完成，通過失去廠外電源試驗(yàn)，證明了機(jī)組在喪失廠外電源工況下依舊能夠?qū)崿F(xiàn)安全停運(yùn)、余熱導(dǎo)出，檢驗(yàn)了高溫氣冷堆失電事故工況下的安全性，也為后續(xù)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。這期間HTR-PM也出現(xiàn)了較多寶貴的經(jīng)驗(yàn)反饋，對后續(xù)高溫氣冷堆的發(fā)展有著重要的借鑒意義，特別是主設(shè)備在調(diào)試期間出現(xiàn)的一些問題，下文將展開詳細(xì)的說明及分析。

2 高溫氣冷堆重要經(jīng)驗(yàn)反饋及設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 燃料裝卸系統(tǒng)換料能力不足問題

2.1.1 問題描述

HTR-PM及HTR-PM600均為模塊式球床高溫氣冷堆，采用在線連續(xù)裝卸料的方式，每個(gè)反應(yīng)堆的燃料裝卸系統(tǒng)每天循環(huán)6000個(gè)燃料球，并將達(dá)到燃耗的400個(gè)乏燃料球卸出，同時(shí)補(bǔ)充相應(yīng)數(shù)量的新燃料球，實(shí)現(xiàn)不停堆換料。在德國高溫氣冷堆AVR堆內(nèi)也采用了不停堆的連續(xù)裝卸料，其運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明這種系統(tǒng)運(yùn)行是成功的和可靠的，在核電廠中采用不停堆的連續(xù)裝卸料可以顯著提高電廠的運(yùn)行利用因子。

高溫氣冷堆燃料裝卸系統(tǒng)作用是從反應(yīng)堆底部利用堆芯卸料裝置卸出燃料球，燃料球在燃料裝卸系統(tǒng)管道內(nèi)依靠重力流動，經(jīng)過碎球分離器、燃耗測量定位分配器、阻流器后，在系統(tǒng)最低點(diǎn)，通過高壓氦氣，將可再利用或新加入的燃料球，在燃料裝卸系統(tǒng)管道內(nèi)提升至反應(yīng)堆頂部落入堆芯，從而實(shí)現(xiàn)不停堆連續(xù)換料。通過分析HTR-MR燃料裝卸系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，重點(diǎn)對換料速度、一回路壓力及總偏差量（對應(yīng)反應(yīng)性）等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確認(rèn)了燃料裝卸系統(tǒng)在較高參數(shù)（6～7MPa）下存在換料能力不足的問題，平均為4500～5000球/天·堆，無法達(dá)到設(shè)計(jì)的6000球/天·堆。換料能力達(dá)不到設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致堆芯反應(yīng)性不足，這也限制了機(jī)組的滿功率運(yùn)行。

2.1.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

針對該問題，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和換料能力，HTR-PM600燃料裝卸系統(tǒng)流程中主循環(huán)的提升球路由原先2列調(diào)整為4列，理論上換料速度可達(dá)10000～12000球/天·堆，不僅滿足了平衡堆芯時(shí)6000球/天·堆的運(yùn)行需求，也能滿足過渡堆芯階段更高換料速度的要求。為了更好地布置設(shè)備和管路，原先的核島廠房最底層標(biāo)高由-15m調(diào)整為-20m。

方案以HTR-PM燃料裝卸系統(tǒng)為基礎(chǔ)，并充分參考示范工程的良好改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)后，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，就每個(gè)反應(yīng)堆模塊的主循環(huán)子系統(tǒng)及其流程而言，設(shè)備及管路配置為：堆芯→1臺堆芯卸料裝置→兩列卸料管路→2臺碎球分離裝置→2臺分配器→4臺燃耗測量的定位分配器→4臺阻流器→4列提升管路→4臺停球器→2列進(jìn)堆管路→1臺堆芯進(jìn)料裝置→堆芯。

2.2 高溫氣冷堆啟停速度時(shí)間過長的問題

2.2.1 問題描述

蒸汽發(fā)生器蒸汽出口管嘴由主蒸汽管板、主蒸汽管嘴法蘭、主蒸汽聯(lián)箱、主蒸汽管嘴等部件組成，主蒸汽管嘴法蘭是連接蒸汽發(fā)生器內(nèi)件、殼體和蒸汽管道的部件。內(nèi)件通過主蒸汽管板與主蒸汽管嘴法蘭焊接，殼體通過主蒸汽管嘴、主蒸汽聯(lián)箱與主蒸汽管嘴法蘭焊接，主蒸汽可拆管段通過法蘭與主蒸汽管嘴法蘭連接，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主蒸汽管嘴的熱袖式結(jié)構(gòu)簡圖

HTR-PM正常運(yùn)行工況下蒸汽溫度571℃，壓力14MPa。主蒸汽管嘴為Incoloy-800H材料，為連接一二回路最大的高溫、承壓安全1級部件。由于高溫氣冷堆特殊性，蒸汽出口相關(guān)部件采用“熱袖”式結(jié)構(gòu)，以減少與蒸汽接觸的高溫部件向殼體直接傳熱，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)溫度場的緩慢過渡和熱應(yīng)力的合理分布。

由于Incoloy-800H合金導(dǎo)熱系數(shù)較低，且熱膨脹系數(shù)較高，Incoloy800H與殼體材料SA508-3相比，導(dǎo)熱系數(shù)低（0.5倍），熱膨脹系數(shù)高（1.2倍），經(jīng)設(shè)計(jì)方計(jì)算在穩(wěn)態(tài)及啟停堆溫度變化過程中，“熱袖”結(jié)構(gòu)中溫度梯度過大，導(dǎo)致主蒸汽管嘴法蘭中存在較大的熱應(yīng)力，外端出現(xiàn)了整個(gè)截面屈服的情況，無法通過ASME-Ш-NH分卷中規(guī)定的限制條件。綜合分析，影響HTR-PM啟停堆時(shí)間與蒸發(fā)器出口溫度的主要制約因素為蒸發(fā)器主蒸汽管嘴區(qū)域熱應(yīng)力。

HTR-PM為保障蒸發(fā)器出口管嘴不出現(xiàn)應(yīng)力超標(biāo)問題，需延長升降溫度時(shí)間。在反應(yīng)堆啟動時(shí)，蒸發(fā)器出口溫度由160℃達(dá)到520℃時(shí)，需約180h；在反應(yīng)堆停堆時(shí)，蒸發(fā)器出口溫度由520℃達(dá)到160℃時(shí)，約120h。示范工程在蒸發(fā)器熱袖處加伴熱及保溫后，升降溫的速率已有較大的提升。主要是通過控制熱袖內(nèi)外桶溫差，并且限制蒸發(fā)器最高出口溫度不超過540℃。

2.2.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

現(xiàn)有蒸發(fā)器出口管嘴的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致高溫氣冷堆啟停堆時(shí)間過長，在工程角度上是不可接受的，嚴(yán)重降低了機(jī)組的能力因子和經(jīng)濟(jì)性。為避免HTRPM600蒸發(fā)器出口管嘴出現(xiàn)同樣問題，對主蒸汽管嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，主蒸汽管嘴法蘭的端口內(nèi)徑由627mm縮小至500mm，原先的“熱袖圓柱”結(jié)構(gòu)優(yōu)化為“熱袖錐桶”結(jié)構(gòu)，可大幅度降低啟停堆過程中主蒸汽管嘴法蘭處熱應(yīng)力值，啟停堆時(shí)間預(yù)計(jì)可縮短三分之一。同時(shí)，通過提高啟堆時(shí)的給水溫度，并結(jié)合優(yōu)化后的小流量冷卻系統(tǒng)，可以進(jìn)一步縮短啟停堆時(shí)間。

2.3 堆芯旁流偏大問題

2.3.1 問題描述

HTR-PM調(diào)試過程中，由于堆芯氦氣旁流偏大以及過渡堆芯的功率不均勻性，導(dǎo)致反應(yīng)堆暫時(shí)不能實(shí)現(xiàn)額定功率，一二回路參數(shù)也未達(dá)到設(shè)計(jì)值，2022年12月雙堆先后實(shí)現(xiàn)初始滿功率，以1號堆為例，反應(yīng)堆功率達(dá)到200MWt（設(shè)計(jì)值250MWt），熱氦溫度為544℃（設(shè)計(jì)值750℃），蒸汽溫度為500℃（設(shè)計(jì)值571℃）。

HTR-PM盡管已經(jīng)采取了多種工藝控制措施來防止堆芯氦氣旁流，如石墨磚之間連接靠榫/鍵實(shí)現(xiàn)、上下兩層石墨磚的孔道接口處設(shè)計(jì)有60mm高的套環(huán)等。但由于石墨塊加工偏差、安裝縫隙、密封材料限制、熱脹冷縮產(chǎn)生的間隙等多種因素，導(dǎo)致HTR-PM堆芯旁流較設(shè)計(jì)值有較大偏差。根據(jù)壓力、熱氦溫度、冷氦溫度、主氦風(fēng)機(jī)壓升、一回路流量等運(yùn)行數(shù)據(jù)，開展了不同功率水平下的一回路壓降分析，初步判斷旁流值超過了10%的設(shè)計(jì)值。反應(yīng)堆的運(yùn)行需要維持功率以及球床部分有效流量的穩(wěn)定，當(dāng)旁流量過大時(shí)，流經(jīng)球床的流量減小，使得球床中燃料元件正常運(yùn)行時(shí)的溫度升高，如果旁流量太大，就可能會影響反應(yīng)堆的安全。

2.3.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

針對該問題目前已制定相應(yīng)措施，主要是采取一些減少堆芯氦氣旁流的措施，包括通過減少方鍵倒邊尺寸來減少石墨側(cè)反射層旁流、通過增加密封條來減少石墨頂反射層旁流、取消冷氦孔道金屬連接管、優(yōu)化熱氦氣出口碳環(huán)結(jié)構(gòu)及優(yōu)化上下金屬限流環(huán)組件等。下文對“減少方鍵倒邊尺寸”進(jìn)行介紹說明：石墨磚之間的連接，是靠石墨制的鍵實(shí)現(xiàn)的，地震載荷主要作用在鍵上。因此，合理的設(shè)計(jì)鍵結(jié)構(gòu)能夠起到防漏作用，以便減少冷卻堆芯氦氣的旁流損失。HTR-PM為了便于方鍵的安裝，方鍵倒邊尺寸設(shè)計(jì)為5×20mm，但倒邊尺寸較大，上下兩個(gè)方鍵相接后會形成一個(gè)較大的三角形流道，在此形成氦氣旁流，不能有效將堆芯熱量帶出。通過減小方鍵倒邊尺寸（1.5×1.5mm）等設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，可有效減少石墨側(cè)反射層旁流。

2.4 壓力容器承重支承高度調(diào)整墊板錯(cuò)動量超差問題

2.4.1 問題描述

2021年1月22日，HTR-PM現(xiàn)場進(jìn)行2號堆一回路熱行為試驗(yàn)。在對反應(yīng)堆壓力容器承重支承測量時(shí)，54°方向承重支承高度調(diào)整墊板與支承座墊之間相對位移量為9.15mm，其他3個(gè)高度調(diào)整墊板位移量滿足設(shè)計(jì)要求。檢查發(fā)現(xiàn)2號堆54°高度調(diào)整墊板處8個(gè)定位銷均已斷裂。每個(gè)高度調(diào)整墊板采用8個(gè)定位銷，在支承座墊上進(jìn)行定位。定位銷直徑為15mm，高度根據(jù)調(diào)整墊板厚度進(jìn)行配做。高度調(diào)整墊板定位銷的主要作用是在安裝過程中實(shí)現(xiàn)高度調(diào)整墊板的定位，保證壓力容器的安裝精度，正常運(yùn)行時(shí)限制高度調(diào)整墊板與支承座墊之間的移動（如圖2所示）。

圖2 反應(yīng)堆壓力容器承重支承示意圖

調(diào)整墊板錯(cuò)動量超差的直接原因?yàn)閴毫θ萜髟O(shè)備在升溫升壓過程中發(fā)生膨脹，當(dāng)反應(yīng)堆壓力容器膨脹時(shí)，支承耳架沿徑向向外滑動，由于54°位置支承耳架與高度調(diào)整墊板之間的摩擦力，大于高度調(diào)整墊板與支承座墊之間的摩擦力，高度調(diào)整墊板隨同支承耳架沿徑向在支承座墊上滑動，產(chǎn)生位移，同時(shí)高度調(diào)整墊板對定位銷產(chǎn)生了剪切力，當(dāng)該剪切力超過定位銷剪切強(qiáng)度，導(dǎo)致定位銷斷裂。

2.4.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

在HTR-PM600設(shè)計(jì)過程中，充分借鑒行業(yè)內(nèi)成熟做法和良好實(shí)踐，對承重支承處的調(diào)整墊板進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)核，加強(qiáng)墊板的固定措施，將8根φ15mm定位銷尺寸調(diào)整為φ20mm，并考慮合理的工藝措施以減小摩擦面的摩擦阻力，確保支承耳架在支承座墊高度調(diào)整墊板上可以沿著壓力容器的徑向滑動，避免類似問題重復(fù)發(fā)生。

2.5 反應(yīng)堆壓力容器卸料管在役檢查困難

問題描述：壓力容器卸料管貫穿于反應(yīng)堆壓力容器艙室和裝卸料循環(huán)主艙室。位于反應(yīng)堆壓力容器艙室的卸料管采用鉛沙進(jìn)行屏蔽；位于裝卸料循環(huán)主艙室的卸料管則采用卯榫結(jié)構(gòu)連接的碳鋼進(jìn)行屏蔽。卸料管焊縫所在區(qū)域被屏蔽遮擋，在不排空燃料元件的條件下無法在役檢查，移除屏蔽組件后，劑量高達(dá)400Sv/h，人員無法接近。設(shè)計(jì)優(yōu)化：反應(yīng)堆壓力容器底封頭及卸料管嘴接管改為整體鍛件，焊縫由4條減少至1條，減少在役檢查工作量，并在外側(cè)屏蔽體上預(yù)留在役檢查的通道，為將來的役檢工作創(chuàng)造良好的條件。

3 整體評價(jià)

HTR-PM在2022年年底雙堆先后階段性實(shí)現(xiàn)200MWt初始滿功率，并在2023年12月兩個(gè)反應(yīng)堆模塊同時(shí)實(shí)現(xiàn)2×200MWt初始滿功率后正式投入商業(yè)運(yùn)行，蒸汽溫度520℃，發(fā)電功率達(dá)到150MWe。在兩個(gè)反應(yīng)堆模塊接近或進(jìn)入平衡堆芯后，可進(jìn)一步提高功率，爭取達(dá)到2×250MWt，蒸汽溫度達(dá)540℃，發(fā)電功率達(dá)到200MWe，實(shí)現(xiàn)平衡滿功率。