快堆環(huán)路數(shù)的影響因素分析及CFR600環(huán)路數(shù)的確定

邰 永，余華金

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

1 快堆簡介

隨著社會的快速發(fā)展，能源短缺問題成為制約人們發(fā)展的重要影響因素之一。核能無疑是人類解決能源短缺問題最有效的手段之一。由于快堆具有增殖和嬗變兩大優(yōu)勢，將成為我國發(fā)展第四代核反應堆的主力堆型。

與傳統(tǒng)的壓水堆不同，快堆主熱傳輸系統(tǒng)由3個環(huán)路組成，分別為一回路主冷卻系統(tǒng)、二回路主冷卻系統(tǒng)和三回路主冷卻系統(tǒng)。一回路主冷卻系統(tǒng)利用一回路鈉循環(huán)泵從主鈉池的冷鈉腔吸鈉，經(jīng)一回路壓力管道將鈉送入柵板聯(lián)箱，冷卻燃料組件后流出堆芯進入熱鈉腔。

熱鈉從中間熱交換器殼程上方進口經(jīng)管間向下流動，從下部出口流入冷鈉腔，然后由冷鈉腔被吸入泵進口。中間熱交換器為一、二回路的邊界。二回路主冷卻系統(tǒng)由二回路鈉循環(huán)泵驅(qū)動二回路鈉進入中間熱交換器管程，將一回路中的熱量帶出，再從中間熱交換器管程流出，通過鈉分配器后分為不同支路，經(jīng)過熱器與蒸發(fā)器的殼程之后匯集進入鈉緩沖罐，然后回到循環(huán)泵。

蒸汽發(fā)生器為二、三回路的邊界。三回路主冷卻系統(tǒng)由主給水泵驅(qū)動三回路給水進入蒸汽發(fā)生器，將二回路中的熱量帶出到三回路，主給水經(jīng)過蒸汽發(fā)生器后變?yōu)檫^熱蒸汽驅(qū)動汽輪機轉(zhuǎn)動進而帶動發(fā)電機發(fā)電。

圖1給出了池式快堆主熱傳輸系統(tǒng)的流程原理。

圖1 鈉冷快堆熱傳輸系統(tǒng)流程圖

在設計快堆的前期方案時，需要確定堆的總體參數(shù)。其中，環(huán)路數(shù)是一個重要的總體參數(shù)。雖然采用三回路的主熱傳輸系統(tǒng)的方案已經(jīng)確定，但每個回路具體有幾個環(huán)路還是一個變數(shù)，它關系著堆容器的設計和堆內(nèi)設備布置以及熱傳輸系統(tǒng)主要設備的性能參數(shù)及數(shù)量。所以，環(huán)路數(shù)的確定會影響到整個堆型的設計。

2 快堆環(huán)路數(shù)影響因素分析

2.1 影響因素概述

在確定快堆環(huán)路數(shù)時，先要考慮的因素就是反應堆的安全性。對于主熱傳輸系統(tǒng)來說，在反應堆正常運行時，主熱傳輸系統(tǒng)的環(huán)路要能夠?qū)⒎磻旬a(chǎn)生的熱量全部安全帶出發(fā)電。在反應堆關閉并且廠外電可用的情況下，主熱傳輸系統(tǒng)的環(huán)路要能夠?qū)⒎磻延酂岚踩珜С觥?/p>

對于致力于大規(guī)模商用的快堆電站來說，由于要同其他類型的電站競爭，經(jīng)濟性顯得越來越重要。在保證反應堆能夠正常運行并保證反應堆安全性的前提下，減少環(huán)路數(shù)量能有效降低反應堆的建造成本。

另外，在完成相關工作時，還要考慮環(huán)路數(shù)對容量因數(shù)的影響。研究表明，采用最少的環(huán)路和設備數(shù)量能夠縮短系統(tǒng)和設備的維修時間以及備件更換時間。美國西屋公司和法國壓水堆的運行經(jīng)驗表明，減少環(huán)路數(shù)量能夠增加容量因數(shù)。環(huán)路數(shù)的變化會影響環(huán)路中所有設備的規(guī)格、結(jié)構(gòu)尺寸，甚至類型。在設計時，相關人員不僅要考慮到系統(tǒng)和設備的設計限值以及現(xiàn)有的加工制造能力，還需要考慮到建造時間，同時也要參考借鑒國外的先進設計理念等。

以上提及的因素有些會相互影響、相互制約，所以，在考慮環(huán)路數(shù)量時，不能只考慮某個因素而忽略其他因素的影響。下面的論述中將結(jié)合世界上典型快堆的環(huán)路設置對這些因素進行綜合考慮。

2.2 快堆環(huán)路數(shù)對比及其安全性、經(jīng)濟性影響分析

快堆按照其功能、用途和功率的不同，可分為實驗快堆、原型快堆或示范堆以及商業(yè)快堆。表1給出了世界上主要發(fā)展快堆國家的相關快堆的主要總體參數(shù)[1-2]。

表1 快堆參數(shù)表

從表1中可以看出，二回路環(huán)路數(shù)是與一回路環(huán)路數(shù)相等的。從堆的冷卻安全要求出發(fā)，回路至少要有2條環(huán)路，這樣才能保證一個環(huán)路發(fā)生故障時，余熱能夠由另一條環(huán)路排出。雖然快堆大多有獨立的事故余熱排出系統(tǒng)，但邏輯上在廠外電源可用的情況下，應該用主熱傳輸系統(tǒng)來排出余熱。因此，為了保障反應堆的安全，至少2條環(huán)路是必須的，所以，各種堆型的環(huán)路數(shù)大多為2條、3條、4條。對于實驗堆，由于熱功率比較小，大多選用2條環(huán)路。而對于功率較大的示范堆和商業(yè)堆，2條、3條、4條環(huán)路的方案都有采用。BN-350擁有6條環(huán)路數(shù)，其中1條為備用環(huán)路。環(huán)路數(shù)過多，相應的系統(tǒng)設備也增多，廠房布置復雜，這會導致堆型的造價成本增加。后期，俄羅斯設計建造的快堆堆型摒棄了這種超多條環(huán)路的設計。

日本的JSFR-1500的熱功率達到了3 530 MW，但卻只選用了2條環(huán)路。選擇這樣的設計是出于節(jié)省建造成本的考慮。圖2為日本JSFR-1500的2環(huán)路和4環(huán)路方案的系統(tǒng)設備布置圖。從圖2中可以看出，2環(huán)路的方案比4環(huán)路方案的廠房尺寸能減少4 m的寬度，考慮到反應堆核島和常規(guī)島廠房多為高層建筑，2環(huán)路的方案能大幅減少土建成本，同時，采用2環(huán)路方案的系統(tǒng)設備數(shù)量要比4環(huán)路方案減少16%.在加工制造技術成熟的情況下，增大設備規(guī)模、減少設備數(shù)量無疑能減少反應堆的建造成本[3]。

印度對PFBR的初步經(jīng)濟分析表明，2環(huán)路方案比3環(huán)路方案節(jié)省大約4%的投資成本，比4環(huán)路方案節(jié)省大約9%的投資成本[4]。

圖2 JSFR-1500兩種方案設計比較

2.3 環(huán)路數(shù)對系統(tǒng)管徑和管道流速的影響

在反應堆熱功率一定的情況下，減少主熱傳輸系統(tǒng)的環(huán)路數(shù)會導致管道內(nèi)的鈉流速增大。由于主熱傳輸系統(tǒng)的鈉管道均為高溫管道，在高溫高速下，管道的材料腐蝕和質(zhì)量遷移效應都會加快，同時，也會增加管道周期性熱疲勞的風險。在鈉管道的系統(tǒng)設計中，傳統(tǒng)的設計方法是根據(jù)系統(tǒng)流量和管道的經(jīng)濟流速來確定管道的直徑。對于直徑超過450 mm的管道，經(jīng)濟流速可以達到6 m/s左右。隨著材料和加工工藝的不斷進步，鈉管道所允許的流速有增大的趨勢，所以，印度學者就將PFBR的最大鈉流速限值提高到了10 m/s。

表2給出了部分快堆環(huán)路數(shù)與流體參數(shù)的情況。從表2中可以看出，除了CEFR外，二回路的主管道管徑均超過了450 mm。其中，CEFR和Super Phénix的二回路主管道冷熱段流速小于6 m/s的經(jīng)濟流速，BN-800的二回路冷熱段流速雖然超過了6 m/s的經(jīng)濟流速限值，但超出不多。而對于正處在建造和設計階段的PFBR和JSFR-1500，它們的二回路冷熱段流速均超過了6 m/s的限值，其中，JSFR的二回路最大流速達到了9.7 m/s。由此可見，隨著材料和制造工藝的不斷進步，涉鈉管道的流速在不斷增大。

表2 部分快堆流體參數(shù)表

表3 部分快堆單環(huán)路IHΧ數(shù)量表

2.4 環(huán)路數(shù)對設備設計、制造及主容器布置的影響

從設備的角度講，一回路的主要設備包括一回路鈉泵、中間熱交換器（IHΧ）；二回路的主要設備包括蒸汽發(fā)生器（SG）、二回路鈉泵、鈉緩沖罐和鈉分配器。對環(huán)路數(shù)影響較大的是SG、IHΧ和一回路鈉泵、二回路鈉泵。

從SG的角度分析，如果采用單環(huán)路只布置1臺設備的布置方式，那么，環(huán)路數(shù)量減小意味著單臺SG的功率和結(jié)構(gòu)尺寸會有較大幅度的增加，這往往會導致設備制造成本的大幅增加，甚至有可能出現(xiàn)在現(xiàn)有技術水平下不能制造出滿足要求的設備的情況?；蛘咴赟G功率和結(jié)構(gòu)尺寸確定的情況下，通過增加環(huán)路數(shù)來匹配SG的臺數(shù)，這樣布置的優(yōu)點是設計簡單，不需要設置大口徑的鈉隔離閥；缺點是由于環(huán)路數(shù)過多，成本大大增加。這種方案不推薦采用。單環(huán)路只布置1臺SG的方案一般只適用于實驗堆。對于示范快堆和商業(yè)快堆，一般采用模塊式的布置方式。如果采用模塊式的布置方式，那么，SG的功率不需隨環(huán)路數(shù)的變化而改變，只需根據(jù)堆功率的大小配置足夠數(shù)量的SG即可，所以，環(huán)路數(shù)的變化對SG本身的設計制造來說并沒有較大的影響。對于IHΧ和一回路鈉泵來說，由于池式快堆的IHΧ和一回路鈉泵是布置在主容器內(nèi)的，所以，IHΧ和一回路鈉泵的個數(shù)和尺寸直接影響到主容器的總體尺寸。表3為部分快堆單環(huán)路IHΧ數(shù)量，從中可以看出，除了采用回路式的JSFR-1500，其他池式快堆均采用每條環(huán)路配置2臺IHΧ的方案。采用1臺IHΧ，會因為單臺設備尺寸過大而導致主容器尺寸過大；而設置3臺IHΧ，會因為堆容器內(nèi)設備數(shù)量過多導致主容器尺寸過大和布置困難。經(jīng)驗表明，在設計堆容器尺寸時，IHΧ和鈉泵的外形尺寸為1∶2時能夠減小堆容器的尺寸，而采用2臺IHΧ最接近這種設計，所以，對于池式快堆來說，每條環(huán)路的IHΧ數(shù)量大多為2臺。

在單環(huán)路IHΧ數(shù)量確定后，減少環(huán)路數(shù)會導致單臺IHΧ換熱功率增大。如果保持IHΧ直徑不變，則IHΧ長度會變大，主容器的高度也會隨之增大；如果保持IHΧ長度不變，則IHΧ直徑會變大，主容器的外徑也會隨之增大。不論是主容器高度變大，還是直徑變大，都會給主容器的設計造成很大的困難，相應的主容器的建造成本也會增加。但并不是增加環(huán)路數(shù)就一定能夠減小主容器的結(jié)構(gòu)尺寸，如果環(huán)路數(shù)過多，也會導致主容器內(nèi)設備數(shù)量過多，進而出現(xiàn)主容器尺寸過大和布置困難的情況。一般來說，2環(huán)路和3環(huán)路的方案對于堆容器的設計都是可行的。

對于二回路鈉泵來說，環(huán)路數(shù)的變化會對鈉泵的揚程產(chǎn)生影響。在主管道管徑確定的情況下，減少環(huán)路數(shù)會導致管道流速增加，進而環(huán)路中管件和設備阻力增大，對鈉泵揚程的要求也會隨之增大。

2.5 總結(jié)

綜上所述，從安全性的角度考慮，快堆的環(huán)路數(shù)為1條是不合理的，大多取2條、3條或者4條，堆功率的大小是考慮環(huán)路數(shù)的重要因素之一。往往功率越大，取得的環(huán)路數(shù)也相應增大。從經(jīng)濟性的角度考慮，減小環(huán)路數(shù)能夠降低反應堆的建造成本，但也會導致反應堆系統(tǒng)管道的流速增大，進而會出現(xiàn)管道材料腐蝕、質(zhì)量遷移和周期性熱疲勞等問題。隨著科技的不斷進步，涉鈉管道的流速在不斷增大。在單環(huán)路SG和IHΧ數(shù)量確定的條件下，減少環(huán)路數(shù)，會增大設備的結(jié)構(gòu)尺寸。在主管道管徑確定的情況下，減少環(huán)路數(shù)會導致所需鈉泵揚程增大。對于商業(yè)快堆來說，經(jīng)濟性是評價其性能最重要的因素之一，在滿足大型商業(yè)快堆熱功率要求并且設備以及材料等工藝要求能得到滿足的情況下，減少環(huán)路條數(shù)能夠有效降低反應堆的建造成本，提高其經(jīng)濟性。

3 CFR600環(huán)路數(shù)的確定

CFR600是建設完成CEFR實驗快堆之后，我國全力研究的大型示范快堆項目。目前，該項目正處在施工設計階段。CFR600的設計熱功率為1 500 MW，電功率為600 MW，堆芯進出口溫度分別為358℃和540℃，一回路總流量為7 004 K/s；IHΧ二次側(cè)進出口溫度分別為308℃和505℃，二回路總流量為5 962 kg/s。根據(jù)第2節(jié)的結(jié)論，從安全性的角度出發(fā)，可以排除1環(huán)路的設計方案。而從經(jīng)濟性的角度考慮，結(jié)合其他示范堆和商業(yè)堆的經(jīng)驗，4條及以上的環(huán)路數(shù)是不經(jīng)濟的，2環(huán)路和3環(huán)路是可行的。下面分別對2環(huán)路和3環(huán)路的方案進行分析比較。

首先，從設備的角度對2種方案進行比較。由于CFR600的SG已經(jīng)確定采用模塊式的布置方式，所以，環(huán)路數(shù)的變化對SG本身來說并沒有較大的影響。對于IHΧ來說，根據(jù)第2節(jié)的結(jié)論，無論是2環(huán)路還是3環(huán)路，單環(huán)的IHΧ數(shù)量均為2臺。那么，2環(huán)路方案的IHΧ總臺數(shù)為4臺，3環(huán)路方案的IHΧ為6臺。經(jīng)過初步計算，在保持IHΧ長度不變的條件下，2環(huán)路方案的IHΧ外殼內(nèi)徑為2.07 m，采用3環(huán)路方案的IHΧ外殼內(nèi)徑為1.67 m。但經(jīng)過主容器布置設計后發(fā)現(xiàn)，雖然3環(huán)路的方案能夠使IHΧ外殼內(nèi)徑減小，但由于主容器內(nèi)的一回路鈉泵和IHΧ數(shù)量增多，并不能減小主容器的外徑，而是會導致主容器內(nèi)各種設備布置擁擠。其次，減少環(huán)路數(shù)有可能會增大管道流速，進而會引發(fā)管道材料腐蝕、質(zhì)量遷移和周期性熱疲勞等問題，同時，也可能導致鈉泵揚程過大。對此，可以采用增大管徑的方法來解決這一問題。表4為采用2種設計方案下的二回路管徑、流速以及與之相匹配的系統(tǒng)阻力。

表4 CFR600快堆不同環(huán)路數(shù)下設計參數(shù)表

從表4中可以看出，采用2環(huán)路方案時，800 mm管徑的管道流速略高于推薦的經(jīng)濟流速，但相比較于大型的示范堆和商業(yè)堆，這個流速也是可以接受的。當管徑選為900 mm時，則流速可以控制在經(jīng)濟流速之下，同時，900 mm的大口徑管道的制造是可以實現(xiàn)的。采用3環(huán)路方案時，管徑也要達到700 mm，并沒有比2環(huán)路方案的管徑小太多。所以，減少環(huán)路數(shù)后，可以采取適當增加管道直徑的方法來解決管道流速增大帶來的問題。對于2環(huán)路方案來說，由于IHΧ阻力和SG阻力在整個環(huán)路阻力所占份額比較大，在單環(huán)IHΧ和SG數(shù)量確定的情況下，通過增大管徑并不能有效降低系統(tǒng)阻力，即通過增大管徑并不能有效降低鈉泵揚程。對于3環(huán)路方案來說，在單環(huán)IHΧ數(shù)量不變的情況下，環(huán)路數(shù)增多意味著IHΧ的管程流量減小，這會顯著降低設備的阻力，相應的系統(tǒng)阻力也會顯著下降。因此，采用2環(huán)路比3環(huán)路對鈉泵有更高的揚程要求。

采用2環(huán)路方案的最大優(yōu)點是能夠有效減少設備數(shù)量，以及與主冷卻系統(tǒng)相連的其他各輔助系統(tǒng)的數(shù)量；相應的，也就大大減少了反應堆廠房的建筑面積。2環(huán)路方案能夠有效降低反應堆的建造成本，而這一點對于以后致力于商業(yè)發(fā)電的反應堆型來說是至關重要的。

CFR600的環(huán)路數(shù)取為2環(huán)路或是3環(huán)路均是可行的，從本質(zhì)上講，它們都是多環(huán)路的設計理念，也均能滿足系統(tǒng)和設備的相關設計要求。2環(huán)路方案會使IHΧ尺寸增大，管道管徑增大，并由此引起鈉泵揚程增大。但從3環(huán)路變成2環(huán)路，并沒有給設備、系統(tǒng)的設計和制造帶來本質(zhì)上的變化。無論是設備、主容器，還是主管道的制造，均可以實現(xiàn)?？傮w考慮，2環(huán)路方案能夠有效減少廠房的建筑面積，由于少了一個環(huán)路，系統(tǒng)的設備數(shù)量和管道的總長都減小了，同時，與主熱傳輸系統(tǒng)相連的眾多輔助系統(tǒng)及其設備、儀表、管道等都減少了1/3.根據(jù)印度PFBR的經(jīng)驗，采用2環(huán)路能夠有效減少快堆的建造成本，與此同時，采用2環(huán)路還能夠減少后期的運營成本。

綜上所述，采用2環(huán)路能夠滿足系統(tǒng)對安全性的要求，設備和系統(tǒng)的設計也是能夠?qū)崿F(xiàn)的。與3環(huán)路相比，2環(huán)路在反應堆的建造成本和后續(xù)的運行成本方面擁有更好的經(jīng)濟性，所以，綜合考慮CFR600的環(huán)路數(shù)最終確定為2環(huán)路。

參考文獻：

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