模塊化壓水堆非能動余熱排出技術(shù)應用概述

汪宇　趙京　陳志輝　蘇應斌　王亮

【摘 要】模塊化壓水堆由于具有較高的固有安全性，而成為目前國際上核能動力的研發(fā)熱點。而具有高可靠性的非能動余熱排出技術(shù)的使用是保障模塊化壓水堆固有安全性的重要手段。本文通過簡述國際上正在研發(fā)中的模塊化壓水堆非能動余熱排出技術(shù)，研究各種堆型非能動余熱排出系統(tǒng)的設(shè)計特點，并分析模塊化壓水堆非能動余熱排出技術(shù)的應用前景。

【關(guān)鍵詞】模塊化壓水堆；非能動余熱排出系統(tǒng)；換熱器

0 引言

為平衡安全性與經(jīng)濟性之間的矛盾，國際核能界相繼提出了模塊化壓水堆的設(shè)計概念。模塊化設(shè)計有容量靈活，設(shè)計簡單，運輸方便，成本見效快等優(yōu)點，可以廣泛應用于發(fā)電、供熱、海水淡化以及船用動力等方面，具有較高的經(jīng)濟性。更重要的是，模塊化壓水堆可以簡化布置，合并功能相同的部件，減少較大的壓力容器貫穿，從而提高系統(tǒng)的安全性。因此，模塊化壓水堆已經(jīng)成為世界核動力裝置的一個發(fā)展方向。與此同時，模塊化核動力裝置非能動專設(shè)安全系統(tǒng)設(shè)計研究成為一個重要研究課題。

所謂非能動安全的思想是利用自然循環(huán)、蓄熱、蒸發(fā)、熱傳導、重力驅(qū)動等一些簡單但又從不失效的物理規(guī)律的作用，使反應堆發(fā)生事故以后不必過分依賴運行人員的準確及時的判斷和外部能源的供給就能完成相應的安全功能。在模塊化壓水堆設(shè)計中，為避免因全廠斷電（包括可靠電源喪失）導致堆芯融化事故發(fā)生而設(shè)置的非能動余熱排出系統(tǒng)，是非能動安全技術(shù)應用的典范。本文選取當前比較有代表性的幾種堆型非能動余熱排出系統(tǒng)設(shè)計進行概述，分析各種設(shè)計方案的特點，為研究壓水堆核動力裝置非能動安全系統(tǒng)提供參考。

1 非能動余熱排出系統(tǒng)方案簡述

1.1 美國IRIS應急余熱排出系統(tǒng)

IRIS是由西屋公司應美國能源部要求與英國、俄羅斯、美國、日本等九個國家的多個企業(yè)、研究機構(gòu)和大學聯(lián)合設(shè)計的，熱功率為1000MW。其非能動安全系統(tǒng)主要包括應急余熱排出系統(tǒng)（EHRS）、自動卸壓系統(tǒng)（ADS）和安全殼抑壓系統(tǒng)（PSS）等[1-2]。EHRS由4個獨立的系列組成，每個系列包括一臺與蒸汽發(fā)生器給水/蒸汽管線相連的水平U型管換熱器（如圖1）。換熱器浸沒在位于安全殼之外的換料水箱中。EHRS采用自然循環(huán)，通過EHRS熱交換器冷凝蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生的蒸汽，將主系統(tǒng)熱量傳遞給換料水箱中的水，并使冷凝水返回蒸汽發(fā)生器。EHRS在LOCA發(fā)生后可以為提供卸壓和堆芯冷卻功能。IRIS裝備了8個模塊式、螺旋管蒸汽發(fā)生器，兩兩組合配置了4條蒸汽和給水管道，每個系列的EHRS系統(tǒng)與每組給水/蒸汽管道連接以保證獨立性。IRIS有兩個應急注硼箱為停堆提供濃硼水，在反應堆發(fā)生LOCA事故時，6個水箱1個儲氣器和應急注硼箱在重力作用下通過直接注入管線（DVI）提供注水。

IRIS應急余熱排出系統(tǒng)管道上設(shè)置了補水箱，補水箱中的水流回到給水管中。補水箱的目的在于補充足夠的水量，防止通過隔離閥發(fā)生泄漏后系統(tǒng)急劇干涸。

1.2 日本非能動安全小型堆PSRD應急余熱排出系統(tǒng)

PSRD是日本原子能研究院基于第三代船用堆MRX開發(fā)出的功率為100MW的堆型，反應堆壓力容器容納了蒸汽發(fā)生器和內(nèi)置的控制棒驅(qū)動機構(gòu)（CRDM），取消了主泵，主冷卻劑系統(tǒng)采用自然循環(huán)方式運行[3]。

如圖2所示，PSRD的非能動應急余熱排出系統(tǒng)由4個自然循環(huán)回路組成：第一回路將堆芯余熱傳遞到蒸汽發(fā)生器（SG），第二回路從SG傳遞到應急余熱排出熱交換器（EDRS-HEX），第三回路從安全殼內(nèi)應急余熱排出冷卻器到安全殼水冷冷卻器（CWCS-HEX），第四回路通過安全殼水冷冷卻器將熱量從堆內(nèi)HEX傳遞到外界大氣。當事故造成給水泵停運時，第二回路應急余熱排出系統(tǒng)（EDRS）開始非能動方式運行。EDRS入口的水壓閥門由傳壓管接到給水泵出口以控制閥門開關(guān)。只有當傳壓管中的壓力高于閥門內(nèi)部壓力時，這個閥門才會保持關(guān)閉。當給水泵停運，給水泵出口壓力使水壓閥打開。然后，蒸汽從主蒸汽管道向上進入EDRS-HEX被冷卻成水流入給水管。

PSRD安全殼中充滿了水，當EDRS-HEX 和 CWCS-HEX兩個換熱器間出現(xiàn)溫差后，自然循環(huán)會立即建立。CWCS的閥門在正常工況下處于常開狀態(tài)，所以運行不需要閥門的動作。因此，PSRD的余熱排出系統(tǒng)運行僅僅依賴水壓閥門的固有的安全特性，這意味著PSRD的非能動冷卻系統(tǒng)是非常可靠的。

1.3 日本輕水堆IMR混合熱輸送系統(tǒng)和直接排熱系統(tǒng)

IMR電功率可達350MW，其燃料組件、控制棒、蒸汽發(fā)生器（SGs）以及控制棒驅(qū)動機構(gòu)（CRDMs）都容納在反應堆壓力容器內(nèi)部[4]。反應堆以全自然循環(huán)方式運行，堆芯出口冷卻劑溫度達到飽和溫度，并容許有20%的含汽率。最大的特點是采用稱之為混合熱輸運系統(tǒng)（HHTS）和直接排熱系統(tǒng)（SDHS）。

所謂的混合熱輸送系統(tǒng)，其實就是全自然循環(huán)兩相流冷卻劑系統(tǒng)，它利用冷卻劑的潛熱和顯熱來輸送堆芯熱量。該系統(tǒng)的特點是分別在蒸汽空間和液體空間布置氣相部蒸汽發(fā)生器（SGV）和液相部蒸汽發(fā)生器（SGL）。由于能分別對SGV和SGL的給水流量進行控制，所以，SGV具有從反應堆壓力容器內(nèi)氣相部進行排熱并對反應堆壓力進行控制的功能，SGL具有從反應堆容器內(nèi)部液相部進行排熱并對堆芯入口溫度進行控制的功能。

直接排熱系統(tǒng)是一個封閉的自然循環(huán)系統(tǒng)（如圖3），通過非能動冷卻器將余熱直接從反應堆內(nèi)部排到大氣中。事故初始階段余熱由冷卻水箱的冷卻水潛熱排出。當水全部蒸發(fā)后非能動冷卻器的傳熱模式自動由水冷切換到氣冷，并且直接排熱系統(tǒng)可以長時間工作而無須操作員和外部干預。

1.4 法國SCOR主回路余熱排出系統(tǒng)

SCOR堆是功率為2000MW的模塊化壓水堆，概念設(shè)計采用了大量非能動安全技術(shù)，唯一的蒸汽發(fā)生器只作為安全系統(tǒng)投入的熱緩沖[3]。執(zhí)行非能動余熱排出的換熱器位于壓力容器內(nèi)部下降通道中，每個換熱器均有一個熱阱（如圖4），組成16個獨立回路（RRP），其中4個由池水淹沒的換熱器冷卻（RRPp），另外12個由空冷塔中的換熱器冷卻（RRPa）。回路中的補水箱用于吸收冷停堆到滿功率運行時的熱膨脹，以控制RRP壓力?；芈分袥]有控制閥，熱閥和空氣導葉均位于熱阱水平線上，因此反應堆正常運行時，RRP回路中溫度較高。當熱閥或者空氣導葉打開時，系統(tǒng)即以自然循環(huán)方式運行。正常停堆時，通過啟停系統(tǒng)供水和蒸汽發(fā)生器蒸汽排放，將冷卻劑系統(tǒng)溫度降到較低時，投入空冷RRP排出余熱。

1.5 阿根廷CAREM余熱排出系統(tǒng)

CAREM是阿根廷國家原子能委員會（CNEA）參與設(shè)計的300MW反應堆。反應堆的穩(wěn)壓器、堆芯、蒸汽發(fā)生器、主冷卻劑系統(tǒng)和蒸汽管路都布置在壓力容器里，功率低于150MW時一回路可實現(xiàn)自然循環(huán)，功率大于150MW時利用泵達到運行需的流量[3]。

余熱排出換熱器由水平方向排列的U型管組成（如圖5）。上管端連接到反應堆壓力容器蒸汽頂蓋（內(nèi)置蒸汽穩(wěn)壓器），下管端連接到反應堆水面下方。換熱器浸在安全殼內(nèi)部的充滿冷卻水的水箱中。蒸汽進口閥門是常開的，而出口閥門是常關(guān)的，因此管束中充滿了凝結(jié)水。當系統(tǒng)觸發(fā)時，出口閥門自動打開，蒸汽由堆內(nèi)進入管束并在管道表面冷凝，凝結(jié)水重新進入反應堆壓力容器，如此形成循環(huán)，通過凝結(jié)換熱將余熱排到池水中。CAREM的非能動余熱排出系統(tǒng)采用冗余設(shè)計，可以在反應堆頂蓋部建立氣液兩相流自然循環(huán)回路以冷卻主系統(tǒng)。

1.第一套停堆系統(tǒng)；2.第二套停堆系統(tǒng)；3.余熱排出系統(tǒng)；4.應急注射系統(tǒng)；

5.泄壓池；6.安全殼；7.安全閥；A.堆芯；B.蒸汽發(fā)生器

1.6 俄羅斯模塊化壓水堆ABV-6M事故冷卻系統(tǒng)

ABV-6M是俄羅斯OKBM研制的第Ⅳ代模塊化壓水堆ABV系列中的一種，作為船用核動力裝置，堆功率為38MW[5]。ABV-6M為全自然循環(huán)堆型，設(shè)計采用的非能動技術(shù)主要有非能動應急給水系統(tǒng)、非能動堆芯余熱排出系統(tǒng)、安全注射系統(tǒng)和氮氣穩(wěn)壓系統(tǒng)。非能動余熱排出系統(tǒng)設(shè)有兩個獨立系列，每一系列向兩組列管式直流蒸汽發(fā)生器供水（如圖6）。在事故工況下，保護系統(tǒng)信號關(guān)閉主蒸汽管上兩道隔離閥和主給水管的截止止回閥，通過非能動余熱排出系統(tǒng)的空冷冷卻器導出反應堆余熱。一回路系統(tǒng)超壓時，壓力驅(qū)動的電源斷路器開啟應急給水箱出水管上的氣動截止止回閥和開啟兩道氣動蒸汽排放閥，產(chǎn)生的蒸汽通過相應主蒸汽管直接向大氣排放以降溫降壓。當直流蒸汽發(fā)生器出口蒸汽壓力降到1.1MPa時，由于空氣壓力的作用，水箱中的水開始注入直流蒸汽發(fā)生器，產(chǎn)生的蒸汽、汽水混合物繼續(xù)向外排放。可見，超壓事故工況下，由非能動應急給水系統(tǒng)執(zhí)行非能動余熱排出功能。

2 非能動余熱排出系統(tǒng)分類

以上對國際上典型先進模塊化壓水堆非能動余熱排出系統(tǒng)設(shè)計方案進行簡要敘述。根據(jù)IAEA對非能動設(shè)施的分類[3]，以上非能動余熱排出系統(tǒng)設(shè)計方案均屬于D類，即由“智能”信號啟動非能動過程；開啟這個過程的能量必須來源于蓄能裝置，例如電池或者高位水源；能動部件僅限于控制、儀器和開啟這個系統(tǒng)的閥門；不包含手動部件。

按照傳熱回路數(shù)，可以將非能動余熱排出系統(tǒng)分為直接冷卻和間接冷卻方式。直接冷卻方式將非能動余熱排出系統(tǒng)直接與反應堆冷卻劑系統(tǒng)連通，系統(tǒng)運行后直接冷卻反應堆冷卻劑。間接冷卻方式通過冷凝蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生的蒸汽（或者通過冷卻專用換熱器中的介質(zhì)）而使間接使反應堆冷卻劑系統(tǒng)降溫降壓。如CAREM非能動余熱排出系統(tǒng)采用直接冷卻方式，而IRIS、IMR、SCOR方案均采用間接冷卻方式。由自然循環(huán)回路數(shù)可見，直接冷卻方式在堆芯和熱阱間存在兩個自然循環(huán)回路，而間接冷卻方式有三個回路。由于直接冷卻非能動余熱排出系統(tǒng)直接連接于反應堆冷卻劑系統(tǒng)，傳熱環(huán)路比間接冷卻方式簡單，需要的冷、熱源位差較小；同時，泄漏隱患較間接冷卻方式更大。

按最終熱阱差異，可以將非能動余熱排出系統(tǒng)分為空冷、水冷和混合冷卻三種方式。IRIS采用水冷，PSRD采用空冷，而SCOR和IMR非能動余熱排出系統(tǒng)設(shè)計方案屬于混合冷卻方式。由于水的冷卻效果高，因此同樣條件下，水冷方式比空冷方式所需的傳熱面更小。水冷方式需要設(shè)置專用的大容積冷卻水箱，如果采用直接冷卻方式，需要較大布置空間，需要較大的安全殼容積。由于安全要求，空冷往往用在間接冷卻設(shè)計方案中。

按照自然循環(huán)途徑是否封閉，可以分為閉式冷卻系統(tǒng)和開式冷卻系統(tǒng)，開式系統(tǒng)中，吸收熱量后的冷卻介質(zhì)，直接排往環(huán)境，可以使堆芯衰變熱無限導出，而不受熱阱容量限制。依賴環(huán)境（海水或空氣）作為冷卻熱阱的系統(tǒng)通常即開式系統(tǒng)，例如IMR空氣冷卻循環(huán)模式、SCOR堆的RRPa系統(tǒng)以及ABV-6M的非能動應急給水系統(tǒng)均屬于開式系統(tǒng)。IRIS和CAREM的非能動余熱排出系統(tǒng)由于作為熱阱的冷卻水箱內(nèi)部形成閉式自然循環(huán)，故屬于閉式冷卻系統(tǒng)。需要注意的是，從熱源到熱阱的中間傳熱環(huán)節(jié)均為閉式冷卻方式，開式循環(huán)針對熱阱自身傳熱模式。

3 總結(jié)

非能動余熱排出系統(tǒng)設(shè)計方案因使用條件環(huán)境和設(shè)計要求不同而呈現(xiàn)差異化，不僅體現(xiàn)在方案選擇和配置上，系統(tǒng)觸發(fā)方式和控制也靈活多變。

本文對幾種國內(nèi)外新型模塊化壓水堆非能動余熱排出系統(tǒng)進行簡要描述，分析各方案組成、運行模式及特點。非能動余熱排出系統(tǒng)設(shè)計按照回路數(shù)可以分為直接冷卻和間接冷卻兩種；按照熱阱差異可以分為空冷、水冷和混合冷卻三種模式；按照自然循環(huán)途徑是否封閉可以分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)。非能動余熱排出系統(tǒng)冷卻方式傳熱途徑設(shè)計呈現(xiàn)多樣結(jié)合化，方案選擇取決于反應堆冷卻劑系統(tǒng)設(shè)計、應用環(huán)境條件等密切相關(guān)。

【參考文獻】

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[責任編輯：王楠]