模塊化壓水堆非能動(dòng)余熱排出技術(shù)應(yīng)用概述

汪宇　趙京　陳志輝　蘇應(yīng)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(guó)際上核能動(dòng)力的研發(fā)熱點(diǎn)。而具有高可靠性的非能動(dòng)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(guò)簡(jiǎn)述國(guó)際上正在研發(fā)中的模塊化壓水堆非能動(dòng)余熱排出技術(shù)，研究各種堆型非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并分析模塊化壓水堆非能動(dòng)余熱排出技術(shù)的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】模塊化壓水堆；非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)；換熱器

0 引言

為平衡安全性與經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾，國(guó)際核能界相繼提出了模塊化壓水堆的設(shè)計(jì)概念。模塊化設(shè)計(jì)有容量靈活，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，運(yùn)輸方便，成本見效快等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于發(fā)電、供熱、海水淡化以及船用動(dòng)力等方面，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。更重要的是，模塊化壓水堆可以簡(jiǎn)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(dòng)力裝置的一個(gè)發(fā)展方向。與此同時(shí)，模塊化核動(dòng)力裝置非能動(dòng)專設(shè)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究成為一個(gè)重要研究課題。

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

1 非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)方案簡(jiǎn)述

1.1 美國(guó)IRIS應(yīng)急余熱排出系統(tǒng)

IRIS是由西屋公司應(yīng)美國(guó)能源部要求與英國(guó)、俄羅斯、美國(guó)、日本等九個(gè)國(guó)家的多個(gè)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)的，熱功率為1000MW。其非能動(dòng)安全系統(tǒng)主要包括應(yīng)急余熱排出系統(tǒng)（EHRS）、自動(dòng)卸壓系統(tǒng)（ADS）和安全殼抑壓系統(tǒng)（PSS）等[1-2]。EHRS由4個(gè)獨(dú)立的系列組成，每個(gè)系列包括一臺(tái)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(méi)在位于安全殼之外的換料水箱中。EHRS采用自然循環(huán)，通過(guò)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(gè)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(gè)系列的EHRS系統(tǒng)與每組給水/蒸汽管道連接以保證獨(dú)立性。IRIS有兩個(gè)應(yīng)急注硼箱為停堆提供濃硼水，在反應(yīng)堆發(fā)生LOCA事故時(shí)，6個(gè)水箱1個(gè)儲(chǔ)氣器和應(yīng)急注硼箱在重力作用下通過(guò)直接注入管線（DVI）提供注水。

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

1.2 日本非能動(dòng)安全小型堆PSRD應(yīng)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(yīng)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(dòng)機(jī)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(yùn)行[3]。

如圖2所示，PSRD的非能動(dòng)應(yīng)急余熱排出系統(tǒng)由4個(gè)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(yīng)急余熱排出熱交換器（EDRS-HEX），第三回路從安全殼內(nèi)應(yīng)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(guò)安全殼水冷冷卻器將熱量從堆內(nèi)HEX傳遞到外界大氣。當(dāng)事故造成給水泵停運(yùn)時(shí)，第二回路應(yīng)急余熱排出系統(tǒng)（EDRS）開始非能動(dòng)方式運(yùn)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(dāng)傳壓管中的壓力高于閥門內(nèi)部壓力時(shí)，這個(gè)閥門才會(huì)保持關(guān)閉。當(dāng)給水泵停運(yùn)，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(jìn)入EDRS-HEX被冷卻成水流入給水管。

PSRD安全殼中充滿了水，當(dāng)EDRS-HEX 和 CWCS-HEX兩個(gè)換熱器間出現(xiàn)溫差后，自然循環(huán)會(huì)立即建立。CWCS的閥門在正常工況下處于常開狀態(tài)，所以運(yùn)行不需要閥門的動(dòng)作。因此，PSRD的余熱排出系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)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(dá)350MW，其燃料組件、控制棒、蒸汽發(fā)生器（SGs）以及控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDMs）都容納在反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)部[4]。反應(yīng)堆以全自然循環(huán)方式運(yùn)行，堆芯出口冷卻劑溫度達(dá)到飽和溫度，并容許有20%的含汽率。最大的特點(diǎn)是采用稱之為混合熱輸運(yùn)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(shí)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(lái)輸送堆芯熱量。該系統(tǒng)的特點(diǎn)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(duì)SGV和SGL的給水流量進(jìn)行控制，所以，SGV具有從反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)氣相部進(jìn)行排熱并對(duì)反應(yīng)堆壓力進(jìn)行控制的功能，SGL具有從反應(yīng)堆容器內(nèi)部液相部進(jìn)行排熱并對(duì)堆芯入口溫度進(jìn)行控制的功能。

直接排熱系統(tǒng)是一個(gè)封閉的自然循環(huán)系統(tǒng)（如圖3），通過(guò)非能動(dòng)冷卻器將余熱直接從反應(yīng)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(dāng)水全部蒸發(fā)后非能動(dòng)冷卻器的傳熱模式自動(dòng)由水冷切換到氣冷，并且直接排熱系統(tǒng)可以長(zhǎng)時(shí)間工作而無(wú)須操作員和外部干預(yù)。

1.4 法國(guó)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(jì)采用了大量非能動(dòng)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(dòng)余熱排出的換熱器位于壓力容器內(nèi)部下降通道中，每個(gè)換熱器均有一個(gè)熱阱（如圖4），組成16個(gè)獨(dú)立回路（RRP），其中4個(gè)由池水淹沒(méi)的換熱器冷卻（RRPp），另外12個(gè)由空冷塔中的換熱器冷卻（RRPa）。回路中的補(bǔ)水箱用于吸收冷停堆到滿功率運(yùn)行時(shí)的熱膨脹，以控制RRP壓力。回路中沒(méi)有控制閥，熱閥和空氣導(dǎo)葉均位于熱阱水平線上，因此反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，RRP回路中溫度較高。當(dāng)熱閥或者空氣導(dǎo)葉打開時(shí)，系統(tǒng)即以自然循環(huán)方式運(yùn)行。正常停堆時(shí)，通過(guò)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(shí)，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(guó)家原子能委員會(huì)（CNEA）參與設(shè)計(jì)的300MW反應(yīng)堆。反應(yīng)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(shí)一回路可實(shí)現(xiàn)自然循環(huán)，功率大于150MW時(shí)利用泵達(dá)到運(yùn)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(yīng)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(yīng)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(jìn)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(dāng)系統(tǒng)觸發(fā)時(shí)，出口閥門自動(dòng)打開，蒸汽由堆內(nèi)進(jìn)入管束并在管道表面冷凝，凝結(jié)水重新進(jìn)入反應(yīng)堆壓力容器，如此形成循環(huán)，通過(guò)凝結(jié)換熱將余熱排到池水中。CAREM的非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)，可以在反應(yīng)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(yīng)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(dòng)力裝置，堆功率為38MW[5]。ABV-6M為全自然循環(huán)堆型，設(shè)計(jì)采用的非能動(dòng)技術(shù)主要有非能動(dòng)應(yīng)急給水系統(tǒng)、非能動(dòng)堆芯余熱排出系統(tǒng)、安全注射系統(tǒng)和氮?dú)夥€(wěn)壓系統(tǒng)。非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)設(shè)有兩個(gè)獨(dú)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(hù)系統(tǒng)信號(hào)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(guò)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的空冷冷卻器導(dǎo)出反應(yīng)堆余熱。一回路系統(tǒng)超壓時(shí)，壓力驅(qū)動(dòng)的電源斷路器開啟應(yīng)急給水箱出水管上的氣動(dòng)截止止回閥和開啟兩道氣動(dòng)蒸汽排放閥，產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)相應(yīng)主蒸汽管直接向大氣排放以降溫降壓。當(dāng)直流蒸汽發(fā)生器出口蒸汽壓力降到1.1MPa時(shí)，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(dòng)應(yīng)急給水系統(tǒng)執(zhí)行非能動(dòng)余熱排出功能。

2 非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)分類

以上對(duì)國(guó)際上典型先進(jìn)模塊化壓水堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行簡(jiǎn)要敘述。根據(jù)IAEA對(duì)非能動(dòng)設(shè)施的分類[3]，以上非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案均屬于D類，即由“智能”信號(hào)啟動(dòng)非能動(dòng)過(guò)程；開啟這個(gè)過(guò)程的能量必須來(lái)源于蓄能裝置，例如電池或者高位水源；能動(dòng)部件僅限于控制、儀器和開啟這個(gè)系統(tǒng)的閥門；不包含手動(dòng)部件。

按照傳熱回路數(shù)，可以將非能動(dòng)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(dòng)余熱排出系統(tǒng)直接與反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)連通，系統(tǒng)運(yùn)行后直接冷卻反應(yīng)堆冷卻劑。間接冷卻方式通過(guò)冷凝蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生的蒸汽（或者通過(guò)冷卻專用換熱器中的介質(zhì)）而使間接使反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)降溫降壓。如CAREM非能動(dòng)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(gè)自然循環(huán)回路，而間接冷卻方式有三個(gè)回路。由于直接冷卻非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)直接連接于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)，傳熱環(huán)路比間接冷卻方式簡(jiǎn)單，需要的冷、熱源位差較小；同時(shí)，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(dòng)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(dòng)余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(wú)限導(dǎo)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(dòng)應(yīng)急給水系統(tǒng)均屬于開式系統(tǒng)。IRIS和CAREM的非能動(dòng)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(duì)熱阱自身傳熱模式。

3 總結(jié)

非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案因使用條件環(huán)境和設(shè)計(jì)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(duì)幾種國(guó)內(nèi)外新型模塊化壓水堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要描述，分析各方案組成、運(yùn)行模式及特點(diǎn)。非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)余熱排出系統(tǒng)冷卻方式傳熱途徑設(shè)計(jì)呈現(xiàn)多樣結(jié)合化，方案選擇取決于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用環(huán)境條件等密切相關(guān)。

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[責(zé)任編輯：王楠]