小型模塊化反應(yīng)堆CAREM簡介

葉竹　曹思民　王詩倩

【摘 要】目前，世界對電力的需求日益增長，而小型化模塊化反應(yīng)堆由于能夠滿足用戶更加廣泛和靈活發(fā)電需求。本文對目前已經(jīng)處于建造狀態(tài)的阿根廷CAREM一體化小型化反應(yīng)堆進行了介紹，并對其設(shè)計特點進行了分析。

【關(guān)鍵詞】CAREM；一體化；小型化模塊反應(yīng)堆；設(shè)計特點

中圖分類號： TM623.2 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0048-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.019

【Abstract】Nowadays， the demand of power is constantly increasing all over the world. The small module reactor （SMR） can satisfied users more feasible and widely demand. This paper has introduced the integrated CAREM SMR and analysis their design characteristics.

【Key words】CAREM； Integrated； SMR； Design Characteristics

1 介紹

在可預(yù)計的將來，世界對電力的需求可能會增加近一倍。小型模塊化反應(yīng)堆作為傳統(tǒng)核電站的補充，可以滿足小電網(wǎng)區(qū)、邊遠地區(qū)和極地島嶼的電力需求，同時還能在海水淡化或熱電聯(lián)供等特殊需求市場發(fā)揮作用。

目前，全世界已經(jīng)有三座小型化反應(yīng)堆處于建造狀態(tài)，分別是阿根廷的CARM25，俄羅斯的KLT-40S和中國的HTR-PM。其中CAREM是一個基于輕水堆技術(shù)的國家級的小堆開發(fā)項目。由阿根廷國家原子能委員會（CNEA）和阿根廷領(lǐng)頭的核能公司合作，目的是開發(fā)，設(shè)計和建造創(chuàng)新型的小型核電廠，具有強大的經(jīng)濟競爭力和高安全級別。CAREM是一種一體化的壓水堆，采用獨特的間接蒸汽循環(huán)，簡化了設(shè)計的同時達到了更高的安全性。CAREM反應(yīng)堆使用阿根廷國內(nèi)的技術(shù)開發(fā)，至少70%的部件和相關(guān)功能由阿根廷國內(nèi)的公司提供。原型機CAREM-25熱功率為100MW（30MW電功率）。

2 適用范圍

CAREM的設(shè)計用途是為給低電力需求的地區(qū)提供電力，也可用于海水凈化提供淡水或為海邊的設(shè)施提供電力。

3 發(fā)展里程碑

1984年 CAREM的概念在一次關(guān)于小堆的IAEA會議中被提出， CNEA正式開展CAREM項目

2001-02年該設(shè)計在第4代國際論壇上進行評估，被選為近期發(fā)展小組

2006年阿根廷核能恢復(fù)計劃將CAREM-25列為國家核能發(fā)展的首要目標之一

2009年CNEA為ARN完成了CAREM-25的初步安全分析報告（PSAR），發(fā)布聲明稱Formosa省被選為CAREM小堆建造的地址

2011年開始進行高溫高壓循環(huán)以測試創(chuàng)新的液力控制棒驅(qū)動機制（CAPEM）

2011年開始進行開挖工作，股東們的協(xié)議和合約正在進行中

2012年進行土建工程

2014.2.8正式開始施工建造

預(yù)計2019年首次裝料

4 總體設(shè)計介紹

4.1 設(shè)計思路

CAREM是一種設(shè)計獨特的基于間接循環(huán)的自然流動反應(yīng)堆，設(shè)計簡化且提升了安全性。它的主要循環(huán)（一回路）全部處于反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)而且不需要任何一回路循環(huán)泵。這個壓力輸送的過程由壓力容器內(nèi)液體蒸發(fā)和蒸汽冷卻的平衡達成。CAREM的設(shè)計減少了敏感部件的數(shù)量并降低了與環(huán)境相互作用的潛在風險。

一些重要的設(shè)計特性包括：

一體化主回路冷卻系統(tǒng)

自加壓

自然循環(huán)冷卻堆芯

容器內(nèi)控制棒驅(qū)動機制

非能動安全系統(tǒng)

具有成本效益的內(nèi)在化安全性能平衡的最優(yōu)化的設(shè)計

4.2 核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)

CAREM是一個一體化的反應(yīng)堆。具有高能量的重要系統(tǒng)（堆芯、蒸汽發(fā)生器、一回路冷卻劑和蒸汽穹頂）被裝在一個壓力容器內(nèi)。一回路冷卻劑流動通過自然循環(huán)完成，蒸汽發(fā)生器被布置在堆芯上方如圖1所示（以形成重力勢能差）。水（冷卻劑）從下方進入堆芯，加熱后冷卻劑離開堆芯從上方通過煙囪狀的管道進入蒸汽穹頂。隨后冷卻劑從側(cè)面的出口進入外部區(qū)域；隨后流過模塊化蒸汽發(fā)生器，焓值降低；再通過下導(dǎo)管從下方進入堆芯，完成循環(huán)。在穩(wěn)態(tài)工況下，冷卻劑流動的驅(qū)動力由流體密度差提供，由摩擦損失平衡，因此堆芯中可保持有適當?shù)牧髁?。冷卻劑同時還作為中子慢化劑。

4.3 反應(yīng)堆堆芯

CAREM-25的堆芯燃料組件呈六角形排列，共有61個燃料組件，反應(yīng)長度約1.4m。每個燃料組件有108根外徑9mm的燃料棒，18個導(dǎo)向套筒和一個儀表套筒，如圖2所示。燃料為1.8% - 3.1%富集度的UO2。燃料循環(huán)可根據(jù)用戶需求定制，作為參考的設(shè)計原型是510天滿功率運行50%堆芯替換率。

4.4 反應(yīng)性控制

反應(yīng)性控制使用Gd2O3在特定的燃料棒中作為可燃毒物，同時還作為屬于調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)的活動的吸收元件。在正常運行和停堆中冷卻劑中的中子毒性不用于反應(yīng)性控制。每個吸收元件由一組連接到結(jié)構(gòu)元件（多腳架）的棒簇組成，所以整個棒簇作為一個整體移動。吸收棒裝在導(dǎo)管內(nèi)。吸收材料通常采取Ag-In-Cd合金。吸收組件在反應(yīng)堆正常運行時用于控制反應(yīng)性，并在需要時突然中斷鏈式反應(yīng)。

4.5 反應(yīng)堆壓力容器及內(nèi)部構(gòu)件

壓力容器高11m，直徑3.4m，厚度從13cm到20cm不等。壓力容器由鑄鋼構(gòu)成，內(nèi)襯為不銹鋼。

4.6 反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)

一回路冷卻由自然循環(huán)驅(qū)動。CAREM的一回路全部處于壓力容器內(nèi)且無冷卻泵。堆芯加熱冷卻劑使其向上流入立管，加熱后的冷卻劑從立管中流出，通過螺旋線圈狀的蒸汽發(fā)生器導(dǎo)管，蒸汽發(fā)生器作為熱阱吸收熱量。

4.7 穩(wěn)壓器

蒸汽穹頂中自加壓的一回路導(dǎo)致了汽液兩相的平衡狀態(tài)。壓力容器中巨大的蒸汽容積作為穩(wěn)壓器存在，同時調(diào)節(jié)最終的壓力波動。由于自加壓，堆芯出口的整體溫度對應(yīng)一回路壓力下的飽和溫度。這種設(shè)計方式取消了傳統(tǒng)壓水堆中典型的加熱器。

4.8 蒸汽發(fā)生器

12個相同的小型螺旋狀一次通過式蒸汽發(fā)生器垂直地等距離布置在壓力容器內(nèi)表面。每個蒸汽發(fā)生器由7個線圈狀的管道層組成，共52根長26m的平行管道。蒸汽發(fā)生器用于將一回路的熱量傳遞給二回路，產(chǎn)生4.7MPa的過熱蒸汽。二回路給水在蒸汽發(fā)生器導(dǎo)管中從下往上流動，一回路冷卻劑在另一側(cè)以相反方向流動。為了在二次側(cè)達到一致的壓力損失和過熱度，所有管路的長度相等。出于安全因素的考慮，蒸汽發(fā)生器被設(shè)計為在二次側(cè)無壓力時能承受住一回路的全部壓力。整個蒸汽系統(tǒng)在蒸汽發(fā)生器導(dǎo)管破裂的事故下，一直到隔離閥之前的部分（包括蒸汽出口和給水入口）能承受一回路壓力。

5 安全特征

5.1 工程安全系統(tǒng)構(gòu)造和途徑

CAREM的安全系統(tǒng)由兩列反應(yīng)堆保護系統(tǒng)（RPS）、兩列停堆系統(tǒng)、非能動余熱排出系統(tǒng)（PRHRS），安全閥和泄壓閥、低壓注入系統(tǒng)和壓力抑制型安全殼。兩列停堆系統(tǒng)滿足冗余、獨立、分離、多樣化的條件并可以自動動作。每列系統(tǒng)可以獨立地在所有停堆工況下將堆芯保持在次臨界狀態(tài)；初次停堆系統(tǒng)（FSS）由9根快速停堆棒和堆芯上方的16根反應(yīng)性調(diào)整和控制棒組成。在需要的情況下棒組通過重力下落。二次停堆系統(tǒng)由一個重力驅(qū)動的高壓硼水（兩個罐子）注入設(shè)備組成，如果FSS系統(tǒng)未能動作，這個設(shè)備會自動動作。當喪失熱阱或全廠斷電（SBO）事故下，兩列PRHRS的其中一列可在36小時（寬限期）內(nèi)排出堆芯余熱可以保持安全的堆芯溫度。在CAREM中全廠斷電事故被定義為設(shè)計基準事故。PRHRS是由平行的水平U型管構(gòu)成的熱交換器（冷卻器），與常規(guī)的集管相連。一組集管與壓力容器的蒸汽穹頂相連，另一組（冷卻回流管線）與壓力容器在蒸汽發(fā)生器一次側(cè)的入口相連。

通過自然循環(huán)，設(shè)計提供了堆芯余熱排出功能，將余熱排到安全殼內(nèi)專用的水池中，隨后排到抑制池。兩臺冗余的柴油發(fā)電機為運行的冷卻系統(tǒng)長期供能。盡管超過36小時的全廠斷電事故較為少見，設(shè)計中還是考慮了由滅火系統(tǒng)或者外部泵和安全殼保護支持的簡單系統(tǒng)延長寬限期。

設(shè)計準備了液壓控制和壓力容器下封頭熔融物堆內(nèi)滯留冷卻來緩解嚴重事故。具有重要安全功能的系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)和部件（SSCs）的安全級別由低等級的安全功能（LLSF-源于基礎(chǔ)安全功能）和滿足這些功能的SSCs安全功能組確定。LLSF的安全分類準則和SSC的安全級別來源于縱深防御的設(shè)計理念和概率性和確定性的考慮。一共定義了三個級別和種類。這種方法為重要安全系統(tǒng)及其SSCs提供了一個清晰的設(shè)計規(guī)則和要求。

5.2 安全殼系統(tǒng)

帶有抑制池的圓柱型安全殼容器外墻為1.2m厚的加強混凝土，內(nèi)側(cè)有不銹鋼內(nèi)襯，可承受0.25g的地震。設(shè)計為可承受0.5MPa的壓力。最終熱阱在安全殼內(nèi)，可以在外部極端事故下提供保護。

6 電廠安全和運行

冷卻劑的自然循環(huán)根據(jù)不同的功率在主系統(tǒng)中產(chǎn)生了不同的流量。在不同功率切換的過程中，流量中會得到一個自修正的反饋。由于壓力容器（蒸汽穹頂）的自加壓功能，系統(tǒng)的壓力非常接近飽和壓力。在所有的運行工況下這可以保證壓力容器壓力反應(yīng)足夠的穩(wěn)定性?？刂葡到y(tǒng)可通過不同的瞬態(tài)將反應(yīng)堆壓力控制在特定的運行定值，甚至在功率劇變的情況下都是如此。負反應(yīng)性反饋系數(shù)和一回路中大量的水存量與自加壓特征一起使得用最小的控制棒動作就可以實現(xiàn)這個行為（指將反應(yīng)堆壓力控制在特定的運行定值）。另外，蒸汽穹頂中還有一個冷卻線圈管路來調(diào)節(jié)反應(yīng)堆運行點。創(chuàng)新性的設(shè)計消除了許多可能導(dǎo)致事故工況的事件，如大LOCA、LOFA和彈棒事故。另一方面設(shè)計中還考慮了假想的多重故障事故，如ATWS、PRHRS和輔助柴油發(fā)電機故障。此外，大比值的一回路水量/功率比率使得電廠在大多數(shù)系統(tǒng)和部件嚴重故障后的瞬態(tài)易于處理（因為熱慣性很大）。設(shè)計中開發(fā)了概率性和確定性的安全分析；完全滿足了常規(guī)需求并在滿足驗收準則的基礎(chǔ)上還具有很大的裕量。

7 儀表和控制系統(tǒng)

電廠控制由分散的控制系統(tǒng)進行，基于電腦控制并具有高可用率。設(shè)有兩套多用化保護系統(tǒng)：初次反應(yīng)堆保護系統(tǒng)（FRPS）和二次反應(yīng)堆保護系統(tǒng)（SRPS），每個系統(tǒng)有四套冗余。設(shè)有兩套多樣化核儀表系統(tǒng)（NIS），分別用于FRPS和SRPS。

8 設(shè)計和審批狀態(tài)

在完成審批過程后，原型機組的建造已經(jīng)開始。阿根廷國內(nèi)不同股東關(guān)于部件制造的合同已經(jīng)簽署。當?shù)卣鷾柿谁h(huán)境影響研究。非核廠房的建造在2014年2月開始。

【參考文獻】

[1]IAEA，small modular reactors， https：//www.iaea.org/topics/small-modular-reactors.

[2]IAEA ARIS，Advances in Small Modular Reactor Technology Developments，2016 Edition.

[3]NNL，Small Modular Reactors （SMR） Feasibility Study， December，2014.