核電廠反應(yīng)堆小幅功率提升技術(shù)的應(yīng)用

張 盼，潘昕懌，趙傳奇，王業(yè)輝

（生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082）

隨著核電技術(shù)的不斷進(jìn)步，新建核電廠的建設(shè)規(guī)模、發(fā)電效率和安全性不斷提高。由于核電廠初始投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)、選址要求嚴(yán)格，同時(shí)，近些年來公眾鄰避效應(yīng)日益突出，因此，新建核電廠越來越困難，許多發(fā)達(dá)國(guó)家政府也因此逐步放棄新建核電廠的規(guī)劃，將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到功率提升技術(shù)的應(yīng)用方面[1]。小幅功率提升技術(shù)因改造設(shè)備少、改造周期短以及改造成本低的特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用[2]。2000年，美國(guó)NRC 對(duì)法規(guī)文件10CFR50 附錄K 進(jìn)行修改，允許通過提高給水流量的測(cè)量精度來減小核電廠的運(yùn)行裕度[3]。截至目前，NRC 已經(jīng)審核批準(zhǔn)了65 臺(tái)機(jī)組的小幅功率提升，總計(jì)提升3037 MW的熱功率。

本文通過研究反應(yīng)堆小幅提升功率技術(shù)，借鑒國(guó)外的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)核電行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，開展核電廠小幅功率提升的技術(shù)研究，并提出相關(guān)建議。

1 小幅功率提升技術(shù)的概述

1.1 原理

目前，反應(yīng)堆熱功率的計(jì)算主要采用熱平衡方法，計(jì)算公式如式（1）：

式中，Qcore——堆芯熱功率；

Hs——蒸汽發(fā)生器出口的蒸汽比焓；

Hfw——蒸汽發(fā)生器入口的給水比焓；

Hbd——蒸汽發(fā)生器出口處排污水比焓；

Wfw——給水流量；

Wbd——排污流量；

Qb——其他向反應(yīng)堆冷卻劑傳遞的熱量和向環(huán)境排出的熱損失。

式（1）中，蒸汽比焓和給水比焓主要通過測(cè)量蒸汽發(fā)生器進(jìn)、出口位置的溫度和壓力獲得，測(cè)量結(jié)果比較準(zhǔn)確。因此，熱功率測(cè)量的不確定度主要來源于給水流量測(cè)量的誤差。根據(jù)法國(guó)電力集團(tuán)（EDF）的計(jì)算分析，由給水流量測(cè)量帶來的不確定度約占功率測(cè)量不確定度的83%，因此，提高給水測(cè)量精度能有效提高核反應(yīng)堆熱功率的測(cè)量精度[4]。

核電廠主要采用文丘里流量計(jì)、噴嘴或孔板來測(cè)量給水流量，這些流量計(jì)工作原理簡(jiǎn)單、可靠、測(cè)量精度較高。但是，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明上述裝置的測(cè)量元件容易結(jié)垢，導(dǎo)致功率測(cè)量值偏高，致使核電廠在非滿功率狀態(tài)下運(yùn)行。核電廠熱功率測(cè)量的不確定度約2%，為了確保反應(yīng)堆的安全運(yùn)行，堆芯熱功率的上限為102%的額定功率。但采用精度更高的儀表測(cè)量給水流量，例如，超聲波流量計(jì)可以將熱功率的測(cè)量不確定度最低降至約0.3%，這樣就可以將功率最高提升約1.7%[5-10]。

1.2 應(yīng)用

功率提升技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。功率提升主要有3種方式，如表1所示。以美國(guó)為例，美國(guó)于20世紀(jì)70年代就實(shí)現(xiàn)了中幅功率提升技術(shù)的應(yīng)用，到2000 年后，美國(guó)開展了小幅功率提升和大幅功率提升的應(yīng)用。截至目前，美國(guó)累計(jì)完成了164座反應(yīng)堆的功率提升技術(shù)的應(yīng)用，主要情況如圖1所示。

表1 功率提升的方法Table 1 The methods of power uprate

3種功率提升技術(shù)中，小幅功率提升技術(shù)的改造成本最低，美國(guó)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，改造成本約140 萬～500 萬美元。另外，小幅功率提升技術(shù)可以結(jié)合中幅與大幅功率提升技術(shù)同時(shí)應(yīng)用，不會(huì)相互影響。

2 實(shí)現(xiàn)小幅功率提升的技術(shù)要求

圖1 美國(guó)功率提升技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀Fig.1 Application status of power uprate technology in USA

要實(shí)現(xiàn)小幅功率提升技術(shù)在核電廠中的應(yīng)用，申請(qǐng)者除了使用經(jīng)許可的高精度流量計(jì)來測(cè)量給水，還需要開展詳細(xì)的技術(shù)分析工作，主要包括測(cè)量不確定度的分析、事故分析、系統(tǒng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)完整性分析、電力設(shè)備分析、系統(tǒng)分析和技術(shù)規(guī)格書的修改等方面。具體的技術(shù)要求見表2～表7。

表2 測(cè)量不確定度分析的技術(shù)要求Table 2 The technical requirements of measurement uncertainty analysis

功率測(cè)量不確定度的計(jì)算是小幅功率提升的重要環(huán)節(jié)，計(jì)算結(jié)果直接影響核電廠功率的提升幅度，因此，需要詳細(xì)計(jì)算。同時(shí)，需要確認(rèn)超聲波流量計(jì)的安全等級(jí)，并制訂流量計(jì)校準(zhǔn)、維修規(guī)程及儀表故障的應(yīng)對(duì)措施。

一是要求申請(qǐng)單位根據(jù)最終安全分析報(bào)告中所開展事故分析內(nèi)容，梳理出功率提升后，安全分析報(bào)告中的哪些事故分析結(jié)果依舊是可用的，哪些事故分析是需要重新進(jìn)開展的。

二是要評(píng)估功率提升對(duì)核電廠關(guān)鍵設(shè)備的影響。表4列出了需評(píng)估的設(shè)備清單、關(guān)鍵現(xiàn)象等內(nèi)容。

表3 事故分析的技術(shù)要求Table 3 The technical requirements of accident analysis

表4 結(jié)構(gòu)完整性分析的技術(shù)要求Table 4 The technical requirements of structural integrity analysis

本部分主要要求分析功率提升對(duì)電氣設(shè)備的影響。如果設(shè)備情況的分析被已有的文件所覆蓋，則需提供支撐依據(jù)。如果不能被覆蓋，則需進(jìn)行詳細(xì)的分析，包括確認(rèn)和評(píng)估功率提升給電氣設(shè)備帶來的改變。評(píng)估的對(duì)象是表5中給出的4項(xiàng)內(nèi)容。

表5 電氣設(shè)備分析的技術(shù)要求Table 5 The technical requirements of power equipment analysis

表6 系統(tǒng)分析的要求Table 6 The requirements of system analysis

表7 技術(shù)規(guī)范的修改要求Table 7 The requirements of technical specification modification

3 安全審評(píng)重點(diǎn)關(guān)注的問題

核電廠營(yíng)運(yùn)單位按要求開展詳細(xì)的技術(shù)評(píng)估工作之后，向監(jiān)管機(jī)構(gòu)提交申請(qǐng)報(bào)告，監(jiān)管機(jī)構(gòu)組織開展安全審評(píng)工作。結(jié)合國(guó)外小幅功率提升技術(shù)運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)安全相關(guān)的重點(diǎn)問題。

4 小幅功率提升技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用

我國(guó)在役核電機(jī)組共45 臺(tái)，在建核電機(jī)組共11 臺(tái)，預(yù)計(jì)總裝機(jī)容量能達(dá)到約54.8 GW。如果實(shí)現(xiàn)小幅功率技術(shù)的應(yīng)用，估計(jì)能將裝機(jī)容量提升0.93 GW，相當(dāng)于新建一座百萬千瓦級(jí)的核電廠。而且，隨著我國(guó)核電的快速發(fā)展，我國(guó)在核電設(shè)計(jì)和安全審評(píng)領(lǐng)域已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。在保證現(xiàn)有安全水平的情況下，實(shí)現(xiàn)小幅功率提升技術(shù)在核電廠的應(yīng)用是可行的。

表8 審評(píng)重點(diǎn)關(guān)注的問題Table 8 The key issues of review

同時(shí)，由于我國(guó)在小幅功率提升技術(shù)研究方面處于起步階段，還面臨著許多難題，還需要進(jìn)一步開展技術(shù)研究工作。

4.1 指導(dǎo)性文件的制定

我國(guó)監(jiān)管機(jī)構(gòu)應(yīng)組織制訂核電廠功率小幅提升的指導(dǎo)性文件，完成該技術(shù)領(lǐng)域的頂層設(shè)計(jì)，為相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和審評(píng)能力的提升提供依據(jù)。但是，我國(guó)的核電堆型眾多，技術(shù)特點(diǎn)差異性較大，主要有二代加和三代技術(shù)差異、能動(dòng)、非能動(dòng)及能動(dòng)結(jié)合非能動(dòng)技術(shù)差異等，給指導(dǎo)性文件的制訂帶來了一定的困難。因此，需要充分調(diào)研國(guó)內(nèi)主流堆型的實(shí)際運(yùn)行特性，綜合考慮各類電廠的差異性，制訂涵蓋各類堆型的通用性指導(dǎo)文件。同時(shí)，結(jié)合我國(guó)法規(guī)、導(dǎo)則體系，制訂符合我國(guó)國(guó)情的指導(dǎo)性文件。

4.2 高精度流量計(jì)的研發(fā)、校準(zhǔn)和安裝

目前，國(guó)際上主要采用高精度的超聲波流量計(jì)來取代傳統(tǒng)的差壓流量計(jì)，通過降低核電廠二回路熱功率測(cè)量的不確定性，實(shí)現(xiàn)小幅功率提升。但是，現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度不滿足要求，急需開展高精度的超聲波流量計(jì)的研發(fā)工作。我國(guó)引進(jìn)的AP1000 核電廠自帶兩套給水流量測(cè)量系統(tǒng)，其中一套為高精度的超聲波流量計(jì)系統(tǒng)，具備開展小幅功率提升應(yīng)用的硬件條件，可作為試點(diǎn)開展功率提升的應(yīng)用實(shí)踐。

關(guān)于超聲波流量計(jì)的校準(zhǔn)和標(biāo)定，影響超聲波流量計(jì)測(cè)量精度的因素主要有管道尺寸誤差、流體溫度和壓力的測(cè)量誤差、傳感器誤差和管道內(nèi)流型因子誤差等問題。因此，超聲波流量計(jì)應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室條件下開展不同工況條件下的測(cè)量，給出實(shí)驗(yàn)室條件下流量測(cè)量的不確定度。由于高精度流量計(jì)本身測(cè)量精度高，對(duì)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定設(shè)備提出了更高的要求，這也是目前國(guó)內(nèi)需要解決的難題[11]。

超聲波流量計(jì)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)后，在實(shí)際安裝中盡量保持與實(shí)驗(yàn)室一致，存在差異的應(yīng)給出差異對(duì)不確定度的影響。電廠超聲波流量計(jì)應(yīng)制定定期的維修計(jì)劃和在線校準(zhǔn)。同時(shí)，需制訂超聲波流量計(jì)故障后電廠運(yùn)行模式后撤計(jì)劃，保證電廠的安全運(yùn)行。

本文認(rèn)為應(yīng)依據(jù)ANSI/ASME PTC19.1-1985和測(cè)量不確定度評(píng)定與表示標(biāo)準(zhǔn)，制訂一套合理的超聲波流量計(jì)測(cè)量不確定分析的方法論，給出各誤差來源對(duì)測(cè)量不確定度的影響，最終計(jì)算出總的功率測(cè)量不確定度，為核電廠確定實(shí)際提升功率幅度提供依據(jù)。

4.3 安全分析技術(shù)

由于核電廠運(yùn)行功率的提升，安全分析報(bào)告中涉及需要滿功率值作為初始輸入條件的事故需要重新進(jìn)行分析。該部分分析主要是由核電廠組織開展的，并對(duì)核電廠最終的安全分析報(bào)告中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行修改，并提交核安全監(jiān)管當(dāng)局，監(jiān)管當(dāng)局組織對(duì)更新后的最終安全分析報(bào)告進(jìn)行評(píng)審，評(píng)審?fù)ㄟ^后發(fā)放新的許可證。

同時(shí)，事故分析中還應(yīng)考慮由于功率提升引起的運(yùn)行參數(shù)的改變，重點(diǎn)關(guān)注由于運(yùn)行參數(shù)的改變帶來的應(yīng)力、沖刷腐蝕影響等問題。

此外，由于運(yùn)行功率的提升，申請(qǐng)者還應(yīng)對(duì)核電廠運(yùn)行技術(shù)規(guī)格書進(jìn)行評(píng)估，對(duì)相應(yīng)的內(nèi)容進(jìn)行修改，并提交監(jiān)管當(dāng)局進(jìn)行審查。

5 結(jié)論

發(fā)展核電是我國(guó)能源戰(zhàn)略的重要組成部分，開展我國(guó)核電廠功率小幅提升技術(shù)的相關(guān)研究，提高核電機(jī)組功率，可以為核電機(jī)組的設(shè)計(jì)優(yōu)化和核電技術(shù)自主創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。本文通過分析國(guó)外小幅功率提升技術(shù)實(shí)踐，并結(jié)合我國(guó)核電現(xiàn)狀，認(rèn)為我國(guó)有必要開展小幅功率提升技術(shù)的應(yīng)用，并提出如下建議：

（1）應(yīng)加快制定我國(guó)核電廠功率小幅提升的指導(dǎo)性文件，為技術(shù)的應(yīng)用和安全審評(píng)提供依據(jù)；

（2）加快推進(jìn)國(guó)內(nèi)高精度超聲波流量計(jì)的研發(fā)工作，并建立一套超聲波流量計(jì)測(cè)量不確定度分析、流量計(jì)的校準(zhǔn)、流量計(jì)的電廠安裝和定期維護(hù)方法；

（3）應(yīng)進(jìn)一步提升安全分析報(bào)告中對(duì)功率提升敏感度較高事項(xiàng)的分析和審評(píng)能力，提升電廠技術(shù)規(guī)格書的修訂和審查能力。