鈉冷快堆新型蒸汽發生器設計研究

朱麗娜+宋廣懂

摘 要 鈉冷快堆是第四代先進核能系統的首選堆型之一，發展鈉冷快堆對形成核燃料閉式循環體系，充分利用鈾資源，并實現核廢物的最小化，保證核裂變能的可持續發展具有重大的戰略意義。蒸汽發生器是快堆的關鍵設備，通過自主研發，掌握快堆蒸汽發生器的核心技術，可以為大型商用示范快堆核電站蒸汽發生器的國產化打下堅實的技術基礎，對我國快堆乃至核電技術的發展有著重要意義。

關鍵詞 鈉冷快堆；蒸汽發生器 現狀

中圖分類號：TL35 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0030-02

鈉冷快堆采用鈉-鈉-水/汽的三回路熱傳輸系統，將一回路冷卻系統的熱量經中間熱交換器傳給二回路主冷卻系統，再經蒸汽發生器將熱傳給水/蒸汽系統，這樣的結構能夠防止一回路系統中放射性鈉與蒸汽發生器中的水相接觸，避免蒸汽發生器中發生大面積鈉水反應，保障反應堆的堆芯安全。然而，二回路系統的設置，必然需要大量鋪設管道、鈉閥、額外的換熱設備-中間熱交換器和二次鈉泵、緩沖罐以及相應的鈉凈化、鈉充排等，其直接后果是導致反應堆一次性建設投資費用較高，影響鈉冷快堆電站的經濟性能。如果能夠研制一種適用于鈉冷快堆的新型蒸汽發生器，采用該新型蒸汽發生器不僅能夠將一回路冷卻系統的熱量直接傳給水/蒸汽系統，而且能夠避免一回路系統放射性鈉與水直接接觸，防止發生鈉水反應，從而能取消二回路系統的設置，則可以大幅降低反應堆的建設成本。

1 技術原理及應用方向

1.1 技術原理

傳統鈉冷快堆的蒸汽發生器將熱量（一回路冷卻系統的熱量經中間熱交換器傳給二回路主冷卻系統）由二回路鈉傳遞給三回路水，使之經過預熱、蒸發和過熱，為汽輪機提供所需要的合格蒸汽，其傳熱過程圖如1所示。同時，蒸汽發生器還具有隔離二、三回路的安全功能，蒸汽發生器的正常運行是保證核電廠安全運行的重要環節。由于快堆電站中設置的二回路冷卻系統，傳統蒸汽發生器能夠避免一回路系統中放射性鈉與蒸汽發生器中的水相接觸，但是由于蒸汽發生器兩側的介質分別為水和鈉，所以仍可能出現納水反應，威脅電站的安全。

圖1 傳統蒸汽發生器傳熱原理圖

鈉冷快堆新型蒸汽發生器主要是針對傳統快堆蒸汽發生器易出現鈉水反應以及需要設置二回路冷卻系統的弊端而提出的，其傳熱過程圖如2所示。

新型蒸汽發生器在殼內布置了兩路換熱管，其中一路換熱管將一回路冷卻系統的熱量傳遞給中間流體，而另一路將中間流體的熱量傳遞給水，實現水的蒸發和過熱。通常情況下，殼內的中間流體可以選擇與鈉和水有著穩定的化學性能的介質，例如鉛鉍合金。中間流體可以由布置在蒸汽發生器內部的泵來驅動，以提高其換熱性能。新型蒸汽發生器取消了二回路，實現了中間熱交換器和傳統蒸汽發生器的作用，并采用中間流體隔離了鈉和水的接觸，避免了鈉水反應的發生。

圖2 新型蒸汽發生器傳熱原理圖

1.2 應用方向

研究用于快堆電站的新型蒸汽發生器，使其能夠代替快堆電站中二回路冷卻系統的作用，防止放射性鈉與水的接觸，降低鈉水反應的可能性，節約快堆電站的建造成本，為商業快堆電站的建立奠定基礎。

2 國內外發展現狀

為降低未來快堆的造價，國際上很多發展快堆的國家開展了取消二回路可能性的研究。在早期的研究中，一般采用雙壁換熱管的蒸汽發生器方案，如美國潛艇用中子反應堆SIR、實驗鈉堆SRE和英國的唐瑞DFR等。在上述反應堆中，取消了二回路的設置，蒸汽發生器采用較為成熟的奧氏體不銹鋼雙壁換熱管結構，換熱管間的環隙采用第三種流體。但大量的研究表明，上述方案中由于換熱管雙壁之間縱向熱膨脹不一致，蒸汽發生器運行可靠性較低。

隨著快堆技術的發展及大型換熱設備設計、制造水平的提高，近年來很多國家針對上述問題提出了很多新的解決方案，2011年12月，國際原子能機構IAEA專門召開了針對快堆用新型中間熱交換器和蒸汽發生器的技術會議，就快堆用中間熱交換器和蒸汽發生器最先進概念進行深入的信息交流和討論。其中，一種整合中間熱交換器和蒸汽發生器或鈉泵的新型蒸汽發生器方案得到了較多的關注。

整合中間熱交換器和蒸汽發生器或鈉泵的新型蒸汽發生器方案首先由日本于1987年提出，該新型方案將快堆的二回路設置于充滿中間熱量傳遞介質的容器中，容器中一回路管線中的熱態鈉和三回路管線中冷態的水/汽通過容器中導熱性能較好的中間介質進行熱量的傳遞，其工作示意圖如圖3所示。

圖3 日本新型蒸汽發生器方案示意圖

上述新型蒸汽發生器方案由于取消SFR的二回路，減少了液態鈉壓力邊界破壞的概率，進而提高了反應堆的安全性和經濟性。針對上述方案，日本已完成實驗臺架的設計和建造，并針對中不同的中間介質（如鎵Ga、鉛鉍合金Pb-Bi等）和結構形式的傳熱特性進行了深入的研究。

但日本的方案中，中間介質僅通過自然對流或低流速的強迫循環進行核島和常規島之間的熱量傳輸，傳熱效率相對較低，且對中間介質的導熱性能要求較高，同時導熱性能較好的鎵由于資源有限，換熱器的制造成本相對較高。針對上述不足，韓國于2004年提出一種改進型方案，其工作示意圖如圖4所示。

圖4 韓國新型蒸汽發生器方案示意圖

相比日本方案（1987），韓國方案（2004）在中間介質的熱量傳遞方式進行了改進，在新型蒸汽發生器中增加了一臺小型的鈉泵Pump，改中間介質的自然對流為強迫對流，極大提高了新型蒸汽發生器的傳熱特性，同時擴展了中間介質的選擇范圍。

近幾年，日本針對本國未來的鈉冷快堆JSFR（Japanese sodium cooled fast reactor）就新型蒸汽發生器方案又提出了一種新的概念方案，該方案將中間熱交換器IHX和一次鈉Pump泵置于一個容器中整合成一新型基于IHX-Pump的SG，針對該方案1/4比例的實驗臺架已建造完成，但有關該實驗的詳細資料及研究結果有待更一步的調研和分析。endprint

與日本、韓國等國家相比，我國目前尚未針對上述各種新型蒸汽發生器方案及與之相關的技術進行前期的研究。

3 發展前景

快堆蒸汽發生器關鍵技術研究，是快堆蒸汽發生器國產化設計和制造的重要研究內容，是我國快堆技術發展的需要。蒸汽發生器對于任何一個核電站來說都是非常重要的設備，也是事故率較高的設備。掌握快堆蒸汽發生器設計和制造的關鍵技術，實現快堆蒸汽發生器的國產化，具有自主知識產權，對于實現大型快堆蒸汽發生器國產化和商業化，降低快堆的設備制造成本，提高我國快堆經濟性，具有重大的意義。

開展新型蒸汽發生器以及取消快堆二回路的研究，不僅對于避免產生鈉水反應，保證反應堆安全具有重要的意義，而且對于降低反應堆一次性建設投資費用，提高鈉冷快堆電站的經濟性能提供有力的技術支持和保障。

參考文獻

[1]馬子云.中國實驗快堆熱傳輸系統及輔助系統[M].北京：社會科學出版社，2000：100.

[2]Thomas B. Cochran， et al. Fast Reactor Development inthe United States [J].Science & Global Security， 17：109-131， 2009.

[3]Seong-O. Kim， Sim. Yoonsub， Eui-kwang. Kim， et al. Evaluation of New Design Concepts for Steam Generators in Sodium Cooled Liquid Metal Reactors[J]. Journal of the Korean Nuclear Society， 2003， 35（2）： 121-132.

[4]Yoon Sub. Sim， Eui Kwang. Kim， Seong-O. Kim. A new LMR steam generator free from SWR with adouble tube bundle configuration [J]. Nuclear Engineering and Design， 2006，236： 1471-1480.

[5]Kim， S.O， et al.， 2003. Evaluation of new design concepts for steam generators in sodium cooled liquid metal reactor. J. KNS Korea 35 （2）， 121-132.

[6]IAEA， 1994. Fast Reactor Steam Generators with Sodium on the Tube Side： Design and Operational Parameters. IAEA-TECDOC-730， Vienna， Austria.

[7]Miyazaki， K.， et al.， 1996. Advanced IHX-SG combined FBR system designs and basic experiments. In： Proceedings of the 10th Pacific Basic Nuclear Conf.， Kobe， Japan， pp. 769-778.endprint

與日本、韓國等國家相比，我國目前尚未針對上述各種新型蒸汽發生器方案及與之相關的技術進行前期的研究。

3 發展前景

快堆蒸汽發生器關鍵技術研究，是快堆蒸汽發生器國產化設計和制造的重要研究內容，是我國快堆技術發展的需要。蒸汽發生器對于任何一個核電站來說都是非常重要的設備，也是事故率較高的設備。掌握快堆蒸汽發生器設計和制造的關鍵技術，實現快堆蒸汽發生器的國產化，具有自主知識產權，對于實現大型快堆蒸汽發生器國產化和商業化，降低快堆的設備制造成本，提高我國快堆經濟性，具有重大的意義。

開展新型蒸汽發生器以及取消快堆二回路的研究，不僅對于避免產生鈉水反應，保證反應堆安全具有重要的意義，而且對于降低反應堆一次性建設投資費用，提高鈉冷快堆電站的經濟性能提供有力的技術支持和保障。

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與日本、韓國等國家相比，我國目前尚未針對上述各種新型蒸汽發生器方案及與之相關的技術進行前期的研究。

3 發展前景

快堆蒸汽發生器關鍵技術研究，是快堆蒸汽發生器國產化設計和制造的重要研究內容，是我國快堆技術發展的需要。蒸汽發生器對于任何一個核電站來說都是非常重要的設備，也是事故率較高的設備。掌握快堆蒸汽發生器設計和制造的關鍵技術，實現快堆蒸汽發生器的國產化，具有自主知識產權，對于實現大型快堆蒸汽發生器國產化和商業化，降低快堆的設備制造成本，提高我國快堆經濟性，具有重大的意義。

開展新型蒸汽發生器以及取消快堆二回路的研究，不僅對于避免產生鈉水反應，保證反應堆安全具有重要的意義，而且對于降低反應堆一次性建設投資費用，提高鈉冷快堆電站的經濟性能提供有力的技術支持和保障。

參考文獻

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