鈉冷快堆的安全性

徐銤

中國(guó)工程院院士，中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413

鈉冷快堆的安全性

徐銤

中國(guó)工程院院士，中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413

鈉冷快堆；固有安全特征；非能動(dòng)安全性；中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆

鈉冷快堆具有許多固有安全特征: 高的熱導(dǎo)率，低壓的鈉系統(tǒng)，鈉對(duì)快堆材料腐蝕甚微，熔融燃料與鈉無劇烈相互作用，鈉輻照后不產(chǎn)生長(zhǎng)壽命放射性核素，有足夠的運(yùn)動(dòng)粘度和熱膨脹系數(shù)，易于設(shè)計(jì)非能動(dòng)事故余熱排出系統(tǒng)等。中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆是一座熱功率65 MW、電功率20 MW的鈉冷池式快堆，除具有上述固有安全特征外，它還設(shè)計(jì)有負(fù)的溫度效應(yīng)、功率效應(yīng)和堆芯鈉空泡效應(yīng)，設(shè)有獨(dú)立的非能動(dòng)事故余熱排出系統(tǒng)、非能動(dòng)接鈉盤、堆容器非能動(dòng)超壓保護(hù)系統(tǒng)、非能動(dòng)冷卻的堆芯熔化收集器等，以及具有完備可靠的主動(dòng)安全系統(tǒng)。中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆達(dá)到了第四代核電系統(tǒng)的安全目標(biāo)。

中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的改善需要大規(guī)模清潔能源的支持，核能是清潔能源的一種。核能的能量密度高，核電站占地面積小，燃料運(yùn)輸量小。從各種能源相應(yīng)電站的建造、燃料生產(chǎn)、運(yùn)輸和運(yùn)行等整個(gè)生產(chǎn)鏈的比較結(jié)果來看，核能的單位電力生產(chǎn)放出的等效二氧化碳的碳當(dāng)量屬于最少的[1]，而且它是作為基荷電站連續(xù)運(yùn)行，可以大規(guī)模建造。全世界核電已占總電力生產(chǎn)的14%，是世界重要能源，已積累了14 000堆年(注：1堆年相當(dāng)于1個(gè)反應(yīng)堆運(yùn)行1年)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明核電站運(yùn)行是清潔安全的，人類已進(jìn)入了核能時(shí)代。然而，清潔安全又不是絕對(duì)的，三哩島、切爾諾貝利和福島等核電站的重大事故給人類敲響了警鐘，需要核電站的設(shè)計(jì)者、建造者、運(yùn)營(yíng)者從中吸取教訓(xùn)，要更加重視對(duì)避免人因故障的培訓(xùn)和管理，對(duì)極端自然災(zāi)害采取應(yīng)急預(yù)案和應(yīng)急準(zhǔn)備，保證核電站運(yùn)行更加安全。

中國(guó)核電站(主要是壓水堆)已有約20年的運(yùn)行歷史，從2000年至2011年止，核電站運(yùn)行總計(jì)105堆年，平均負(fù)荷因子高達(dá)87.16%，取得了優(yōu)秀的運(yùn)行成績(jī)，并證明了核電站是安全清潔的。

為核能可持續(xù)應(yīng)用，中國(guó)核電發(fā)展的基本戰(zhàn)略是熱堆(壓水堆)—快堆—聚變堆，目前中國(guó)發(fā)展的快堆是國(guó)外一致采用的鈉冷快堆。

對(duì)于核電站反應(yīng)堆或研究用的反應(yīng)堆，最重要的安全目標(biāo)是保證核電站的工作人員、公眾和環(huán)境免受放射性的傷害。為達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，需用另外兩個(gè)安全目標(biāo)來保證：一是任何情況下能夠停堆，二是任何情況下能夠?qū)С龆研竞腿剂系挠酂帷?/p>

為了實(shí)現(xiàn)這三個(gè)目標(biāo)，有三個(gè)層次的安全措施來保證。其一，設(shè)計(jì)者在選擇待發(fā)展的堆型時(shí)，應(yīng)選擇有固有安全特征或稱本征安全特征的堆型；其二是盡量用非能動(dòng)安全系統(tǒng)；其三是裝備冗余、可靠的主動(dòng)安全系統(tǒng)。對(duì)于最主要的安全目標(biāo)——限制放射性的過量釋放，除有前兩個(gè)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)保證外還特別設(shè)計(jì)有多道屏障，這是核安全縱深防御原則的另一方面。

1 鈉冷快堆的固有安全特性

世界上快堆發(fā)展已超過半個(gè)世紀(jì)，對(duì)于冷卻劑的選擇，除早期建過兩座小型汞(Hg)冷快堆(Clementine，1946和БР-2，1956)和一座鈉鉀合金(NaK)冷快堆(DFR，1959)外，20世紀(jì)60年代初起的快堆皆選擇鈉(Na)為冷卻劑。對(duì)快堆而言，Na除具有中子吸收截面小和散射慢化能力不強(qiáng)等適用于快堆的性能外，還有多個(gè)固有安全特性。

液態(tài)金屬鈉有較大的熱導(dǎo)率，見表1[2]。在快堆堆芯平均溫度(約450℃)下熱導(dǎo)率是壓水堆運(yùn)行工況下水熱導(dǎo)率的百倍以上，堆芯和燃料不易過熱，在一回路冷卻系統(tǒng)失電時(shí)，堆芯事故余熱很快導(dǎo)入鈉中，尤其是池式快堆有大量的鈉，實(shí)驗(yàn)堆達(dá)200余噸，大功率商用快堆甚至上千噸，一回路鈉成為最初熱阱，對(duì)導(dǎo)出事故余熱有利。

表1 冷卻劑物性表[2]

鈉的沸點(diǎn)在大氣壓下是 883℃，一般一回路鈉工作溫度在550℃以下，有300多度的溫差，因此一回路不需要為獲得更高出口溫度而加壓。唯一需要的是為避免空氣漏入一回路，堆本體充氬氣保護(hù)而加壓到約0.05 MPa，加上鈉液高度的靜壓，最高壓力也只在0.15 MPa以下；因此，相比高壓系統(tǒng)萬一出現(xiàn)的管道或容器破裂，鈉冷快堆無噴射使堆芯裸露之可能。

純鈉在 800℃以下對(duì)奧氏體不銹鋼、鐵素體鋼、鐵素體馬氏體鋼幾無腐蝕，鈉溫 700℃以下雜質(zhì)控制在3 ppm(1 ppm=10-6)以下時(shí)，快堆用不銹鋼的腐蝕率只有5 μm/a[3]，所以快堆鈉容器和鈉管道不易因腐蝕而泄漏。

在萬一快堆發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)，組件中的燃料有可能局部熔化，熔融燃料與冷卻劑相互作用(MFCI)是必須考慮的。大量堆內(nèi)堆外實(shí)驗(yàn)表明，MFCI情況下，即熔融的燃料流入鈉中沒有劇烈的能量釋放，不會(huì)產(chǎn)生“鈉蒸汽爆炸”。其原因是[5]：瞬時(shí)鈉成泡需要高溫，而圍著熔融燃料的是大量的鈉，比其沸點(diǎn)溫度低400多度，鈉有很高的導(dǎo)熱能力，很快將熔融燃料的熱傳向大范圍的鈉。所以，即使快堆發(fā)生燃料熔化，也不會(huì)發(fā)生過量放射性釋放。

天然的鈉只有一種同位素，即2131Na，在中子照射下有三個(gè)核反應(yīng)：

從表1看出，鈉在快堆工作溫度下運(yùn)動(dòng)粘度不太大，流動(dòng)性尚可，溫度升高時(shí)，液態(tài)體積膨脹，易于在一回路中設(shè)計(jì)非能動(dòng)事故余熱導(dǎo)出系統(tǒng)，靠自然對(duì)流和自然循環(huán)將堆芯的事故余熱從一回路通過該系統(tǒng)鈉的二回路，并利用空冷器排向大氣。也就是，因鈉對(duì)快堆的固有安全特征，有助于實(shí)現(xiàn)非能動(dòng)事故余熱排放，提高快堆安全性。

然而，鈉是化學(xué)性活潑的堿金屬，鈉也有固有的不安全因素。

鈉在空氣中會(huì)燃燒，著火點(diǎn)依賴于空氣的濕度，一般在140～340℃之間；如果是噴霧，可能在120℃時(shí)起燃[5]。鈉火是放熱反應(yīng)[6]：

然而鈉的燃燒烈度不如汽油，見表2。

表2 鈉與汽油燃燒比較(1 m2面積)[5]

在鈉冷快堆的蒸汽發(fā)生器中，二回路鈉的熱量通過管壁傳給水，使之汽化直至過熱蒸汽，進(jìn)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。蒸汽發(fā)生器內(nèi)是鈉水反應(yīng)可能發(fā)生的部位。鈉接觸水有激烈的鈉水反應(yīng)[6]：

為防止發(fā)生鈉火和鈉水反應(yīng)，設(shè)備和管道均是用核安全的縱深防御的原則來設(shè)計(jì)。首先容器、管道采用符合標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)過驗(yàn)證的材料，設(shè)備設(shè)計(jì)和制造采用核級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，沿管線和容器下方布置全程泄漏探測(cè)系統(tǒng)，重要部位采用雙層導(dǎo)管。萬一泄漏有煙霧探測(cè)、溫度探測(cè)以及放射性探測(cè)。采用快速閥門關(guān)閉泄漏的管道，卸壓排鈉至貯存罐。對(duì)泄漏的鈉采用非能動(dòng)接鈉盤，可將大量漏鈉的 93%～97%接受在盤內(nèi)而不致燃燒，燃燒的部分用N2、負(fù)壓的措施和膨脹石墨粉使其快速滅火。氣溶膠經(jīng)過水霧吸收和過濾后釋放排入大氣，做到對(duì)環(huán)境無害。

對(duì)蒸汽發(fā)生器中的鈉水反應(yīng)，微漏時(shí)首先探測(cè)的是產(chǎn)生的H2，擴(kuò)散式氫計(jì)靈敏度達(dá)到0.05 ppm。在氫計(jì)動(dòng)作時(shí)，判斷微漏的發(fā)展，繼而停堆、卸壓排水、排鈉。隨著可能的鈉水反應(yīng)事故擴(kuò)大，相繼用空泡噪聲、壓力、液位及流量變化來判斷和自動(dòng)觸發(fā)切斷給水，繼而停堆、排水、排鈉，全部自動(dòng)進(jìn)行。因二回路鈉幾無放射性，與二回路泄漏產(chǎn)生的鈉火一樣都屬于工業(yè)事故。一回路放射性鈉則有更全面的鈉火防護(hù)，設(shè)多層屏障防止放射鈉氣溶膠的泄漏。一回路在鈉池中還設(shè)有保護(hù)容器，夾層充有氬氣，容器泄漏有探測(cè)報(bào)警。保護(hù)容器同時(shí)也泄漏的可能性極低，保護(hù)容器泄漏屬于超設(shè)計(jì)事故或嚴(yán)重事故，設(shè)計(jì)者將設(shè)立一系列階段行動(dòng)保證堆芯不致熔化。

從鈉火、鈉水反應(yīng)事故的本質(zhì)看來，它是一般的工業(yè)事故，設(shè)計(jì)者的責(zé)任是避免它引發(fā)成核事故?；诟鲊?guó)鈉冷快堆半個(gè)世紀(jì)的350堆年經(jīng)驗(yàn)，從未發(fā)生過放射性嚴(yán)重污染環(huán)境的事故。

2 中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆的安全性

中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR)是一座熱功率65 MW、電功率20 MW的鈉冷池型快堆。CEFR于2011年7月實(shí)現(xiàn)40%功率并網(wǎng)24 h，達(dá)到了國(guó)家驗(yàn)收目標(biāo)。堆本體和主熱傳輸系統(tǒng)見圖1和2。

在設(shè)計(jì)之初，對(duì)中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆安全性的基本要求是：堆芯熔化概率低于 1×10-6/堆年，任何事故下不用廠外應(yīng)急。為此，設(shè)定了153 m邊界居民所受最大有效劑量當(dāng)量，見表 3。要求在正常運(yùn)行、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下，在153 m邊界處居民所受到的最大有效劑量當(dāng)量限值分別為國(guó)家環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)GB-6249-86(后升版為GB-6249-2011，標(biāo)準(zhǔn)的限值未變)規(guī)定的1/5、1/10～1/200 和 1/50。

圖1 中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆堆本體

中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆的安全性設(shè)計(jì)是由固有安全特征、非能動(dòng)安全系統(tǒng)和主動(dòng)安全系統(tǒng)來保證的。

表3 CEFR廠址邊界153 m處居民個(gè)人最大有效劑量當(dāng)量

2.1 固有安全特征

除上節(jié)闡述的鈉冷快堆擁有的固有安全特征外，通過設(shè)計(jì)，還有與堆芯、堆本體相關(guān)的固有安全因素。如表4所示，CEFR的溫度反應(yīng)性效應(yīng)、功率反應(yīng)性效應(yīng)和鈉空泡反應(yīng)性效應(yīng)全是負(fù)值，說明溫度升高、功率升高或出現(xiàn)鈉沸騰，不需要操作人員干預(yù)，CEFR本身就能產(chǎn)生負(fù)反應(yīng)性效應(yīng)抑制這些意外事件，堆的功率自動(dòng)下降，表現(xiàn)出固有的安全特征。

表4 CEFR設(shè)計(jì)的固有安全特征 pcm

圖2 中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆主熱傳輸系統(tǒng)

作為CEFR調(diào)試實(shí)驗(yàn)之一，完成了小反應(yīng)性擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)初始狀態(tài)熱功率穩(wěn)定于2.5 MW，一回路鈉堆芯出口溫度是 279℃。實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)節(jié)棒手動(dòng)提升24 mm，7 min后功率自動(dòng)升至3.09 MW，隨后因負(fù)反饋堆功率緩降至2.81 MW而穩(wěn)定(圖3)，堆芯出口溫度穩(wěn)定在282℃。該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了負(fù)反饋使CEFR有自穩(wěn)性。

圖3 小反應(yīng)性擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)

2.2 非能動(dòng)安全性

反應(yīng)堆安全系統(tǒng)應(yīng)盡量設(shè)計(jì)成非能動(dòng)性，無人控、電控、動(dòng)機(jī)和閥門，靠自身的物理原理實(shí)現(xiàn)其功能，提高系統(tǒng)的可靠性，又減少人因故障。中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆有多種安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)成非能動(dòng)系統(tǒng)，如非能動(dòng)事故余熱排出系統(tǒng)，原理圖見圖4。該系統(tǒng)由置入堆容器的 Na-Na熱交換器和帶拔風(fēng)煙囪的空冷器及管道組成，在失去外部、內(nèi)部電源的事故下依靠液態(tài)鈉熱膨脹、密度減小和運(yùn)動(dòng)粘度不大產(chǎn)生冷熱鈉對(duì)流的原理，形成一回路的自然對(duì)流和該系統(tǒng)回路鈉的自然循環(huán)，非能動(dòng)地將事故余熱導(dǎo)出。又如用于鈉大量泄漏的非能動(dòng)抑制鈉燃燒的接鈉盤，可將大量漏鈉的93%～97%限制在接鈉盤中，不致燃燒；堆本體覆蓋氣體氬氣的非能動(dòng)超壓保護(hù)裝置；以及用于嚴(yán)重事故的堆芯熔化接收盤，并非能動(dòng)地將其余熱導(dǎo)出，使熔融的堆芯燃料凍結(jié)于接收盤內(nèi)，強(qiáng)放射性物質(zhì)被限制在堆本體內(nèi)，從而不會(huì)污染環(huán)境等。

另外，對(duì)于放射性物質(zhì)的包容，遵守核安全法規(guī)的要求采用多道屏障，這也是縱深防御原則的又一體現(xiàn)。它包括燃料包殼、堆容器、保護(hù)容器和防護(hù)罩、安全殼及通風(fēng)系統(tǒng)等，材料、制造采用核級(jí)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)以及應(yīng)用可靠的通風(fēng)系統(tǒng)，如此實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行和事故工況下的環(huán)境輻射安全。

圖4 中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆非能動(dòng)余熱導(dǎo)出系統(tǒng)

2.3 主動(dòng)安全系統(tǒng)

中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆與其他核電反應(yīng)堆類似，有兩套獨(dú)立的停堆系統(tǒng)：第一停堆系統(tǒng)由三根補(bǔ)償棒和兩根調(diào)節(jié)棒組成，第二停堆系統(tǒng)由三根安全棒組成。每套停堆系統(tǒng)均能在一根最大效率棒卡住情況下仍然使運(yùn)行的堆停堆，且有足夠的停堆深度。主控制室運(yùn)行人員在需要時(shí)可手動(dòng)停堆，還有 21類保護(hù)參數(shù)，其中包括地震保護(hù)參數(shù)等，當(dāng)任一個(gè)參數(shù)達(dá)到限值時(shí)，就觸發(fā)自動(dòng)停堆，保證安全停堆。

兩套獨(dú)立的熱傳輸和核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)，保證中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆的正常運(yùn)行。

2.4 中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆的安全性

在較完整的安全設(shè)計(jì)和建造的原則下，為獲得設(shè)備的可靠性，從國(guó)外進(jìn)口了一些關(guān)鍵設(shè)備，占中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆設(shè)備費(fèi)用的30%，國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到70%。

一級(jí)概率風(fēng)險(xiǎn)分析指出，CEFR堆芯熔化概率為4×10-7/堆年[7]。

通過對(duì)正常運(yùn)行、預(yù)期運(yùn)行事件、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和超設(shè)計(jì)事故的確定論分析，均能滿足表3對(duì)CEFR提出的環(huán)境影響限值，不需要廠外應(yīng)急。

因此，中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆的安全性達(dá)到了第四代核電系統(tǒng)的安全目標(biāo)[8]。

3 結(jié)語

發(fā)非能動(dòng)安全系統(tǒng)，保證中國(guó)大功率快堆能全面實(shí)現(xiàn)第四代核能系統(tǒng)要求的目標(biāo)。

開發(fā)建造任何堆型，保證核安全是關(guān)鍵。在三哩島、切爾諾貝利和福島事故后，核能界會(huì)更加重視堆的固有安全特征和非能動(dòng)安全系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，更加重視安全文化的培養(yǎng)，嚴(yán)格運(yùn)行紀(jì)律，盡可能避免人因故障。針對(duì)所選定廠址可能的極端自然災(zāi)害，制定應(yīng)急計(jì)劃，做好應(yīng)急演習(xí)和應(yīng)急準(zhǔn)備。業(yè)主、核電站運(yùn)行部門還應(yīng)與地質(zhì)、水文、氣象部門保持熱線聯(lián)系，減少事故概率；即使發(fā)生事故，也應(yīng)限制在非居住區(qū)以內(nèi)，保證放射性物質(zhì)不致過量釋放，不影響到核電站的非居住區(qū)以外。

由于中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和溫室氣體減排的要求，各種清潔能源都將因地制宜地做出貢獻(xiàn)，核能這種清潔的基荷能源將會(huì)得到大規(guī)模的發(fā)展?，F(xiàn)實(shí)的能有效利用核資源和焚燒、嬗變高放廢物的鈉冷快堆，必將按中國(guó)熱堆—快堆—聚變堆的發(fā)展基本原則，得到快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)中國(guó)核能的可持續(xù)發(fā)展。目前電功率600 MW的中國(guó)示范快堆已經(jīng)開始設(shè)計(jì)，汲取中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆安全設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，為發(fā)展大功率鈉冷快堆，進(jìn)一步創(chuàng)新地開

致謝 作者對(duì)中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行者們表示深深的敬意，并向提供安全參數(shù)測(cè)量、計(jì)算結(jié)果和資料的中國(guó)原子能科學(xué)研究院快堆研究中心的同志們致以誠(chéng)摯的謝意。

(2012年11月8日收稿)

[1]OECD核能機(jī)構(gòu)評(píng)估核能在低碳能源未來中的作用[G]//核科技動(dòng)態(tài). 北京：中國(guó)原子能科學(xué)研究院，2012(13)：2.

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[8]GEN Ⅵ international forum[R]. Annual Report, 2007: 9.

Safety on sodium cooled fast reactor

XU Mi
CAE Member, China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China

The sodium cooled fast reactor possesses a number of inherently safe properties: high thermo-conductivity, low pressurized sodium system, tiny corrosion on materials used in SFR by sodium, no any acute molten fuel-sodium interaction, no long-lived nuclides produced after irradiation, enough dynamic viscosity and heat volume expansion to design possibly an passive accident decay heat removal system,etc. The CEFR is a sodium cooled pool type fast reactor with thermal power 65 MW and electric power 20 MW. Besides above-mentioned properties, the CEFR is designed with negative reactivity effect of temperature,power and sodium void, independent passive accident decay heat removal systems, passive leaked sodium receivers, passive over-pressure protection system and passive cooled reactor core molten receiver,etc. And the CEFR is also equipped by reliable active maturity safety systems. The safety of CEFR is reached to the safety aims of Generation Ⅳof nuclear systems.

sodium cooled fast reactor (SFR), inherently safe property, passive safety, China experimental fast reactor (CEFR)

10.3969/j.issn.0253-9608.2013.02.001

(編輯：沈美芳)