小型一體化壓水堆主設備設計比較研究

林 千

(上海核工程研究設計院， 上海 200233)

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核電技術

小型一體化壓水堆主設備設計比較研究

林 千

(上海核工程研究設計院， 上海 200233)

歸納了世界主要一體化壓水堆的主設備設計特征，對各種堆型的整體結構以及蒸汽發生器、主泵布置、控制棒驅動機構、穩壓器等主設備的設計特征進行了闡述。通過比較分析各種方案的技術差異及潛在問題，為新型一體化壓水堆主設備的研發設計提供指導。

小型模塊式反應堆; 一體化壓水堆; 主設備

小型模塊式反應堆是近期國內外新型反應堆領域的研究熱點之一。特別是采用一體化結構的小型壓水堆，成為當前世界主流的研發堆型而被廣泛關注。在常規壓水堆中，反應堆壓力容器、蒸汽發生器、主泵、穩壓器等主設備是單體設備，它們之間通過管道相連，主冷卻劑系統(RCS)由這些設備和相應的連接管道構成。與之相區別的是，在所謂的一體化壓水堆中，蒸汽發生器、主泵等設備直接安裝在壓力容器內或壓力容器上，取消了設備之間的連接管道，主冷卻劑系統在壓力容器內完成傳熱循環，形成高度集成的反應堆結構。

一體化反應堆具有結構緊湊、系統簡單、安全性好等特點，某些設計理念反映了先進反應堆的發展方向。然而，世界上各種一體化壓水堆的技術仍處于研究階段，各種新型主設備的結構形式也千差萬別。

筆者旨在對現有各式各樣的一體化壓水堆主設備結構設計方案進行歸納和比較分析，綜合評述不同設計方案之間的設計特征、技術差異和優劣，為一體化壓水堆的技術發展，特別是這種新型主設備的結構設計提供參考。

1 一體化壓水堆整體結構特征

自20世紀60年代末，德國建成世界第一座一體化壓水堆FDR，并成功應用到世界第一艘核動力商船上以來，一體化壓水堆經歷了近半個多世紀的發展[1]。文獻資料表明，世界各國的核能研究機構提出了約40種一體化壓水堆堆型或設計方案[2-5]。由于各種堆型的設計目標和要求不同，其主要技術指標和設計特征也存在較大差異，某些堆型隨著其設計不斷深化，技術方案也在持續演變。

圖1為具有代表性的一體化壓水堆整體結構和主要設備的布置形式[5-9]。

1—堆芯；2—蒸汽發生器；3—主泵；4—控制棒驅動機構；5—穩壓器。

圖1中可以直觀看出一體化壓水堆的典型特征，即蒸汽發生器、主泵、控制棒驅動機構、穩壓器等主設備與壓力容器集成為一個整體模塊。然而，這些一體化壓水堆，除了燃料堆芯結構與常規壓水堆基本相同以外，其整體結構布局，各主設備的結構形式、布置方式、工作原理等，不僅與常規壓水堆不同，而且它們相互之間也有較大差別。

從各種一體化壓水堆的整體結構布局方式來看，多數將蒸汽發生器布置在壓力容器筒體與堆芯吊籃之間的環腔內，如IRIS、SMART、IMR等；然而C.A.P、NuScale、mPower、W-SMR這三種堆型采用了不同的布局方式，它將蒸汽發生器布置在堆芯正上方。在相同功率條件下，前者的壓力容器直徑較大，后者的高度較大。直觀上，這兩類可稱為矮胖型與高瘦型(圖2)。

圖2 兩種一體化壓水堆結構示意圖

一般來說，高瘦型壓力容器直徑較小，將有利于設備的制造和運輸；其主系統的自然循環帶出衰變熱的能力較強，也有利于反應堆安全。然而這種布局方式也帶來相關工藝的調整。由于蒸汽發生器布置在堆芯正上方，其控制棒驅動機構、堆芯測量等將不能采用常規壓水堆的布置方式。另外在換料過程中，需要將蒸汽發生器吊離，相關的工藝措施較復雜。不過，這種方式為蒸汽發生器在役檢查、維修和更換提供了便利。

2 蒸汽發生器設計特征

蒸汽發生器是一體化壓水堆中的最關鍵設備，其技術優劣和工程可行性對于反應堆總體方案起著決定性作用。在現有各種一體化壓水堆中，除C.A.P系列堆型的蒸汽發生器與常規壓水堆蒸汽發生器有相似特征之外，其他堆型中蒸汽發生器與常規壓水堆有很大區別。在一體化壓水堆中一般采用內置式蒸汽發生器，即蒸汽發生器布置在壓力容器內，其結構形式、運行原理、傳熱管選型等方面有不同的設計特征，各具有不同的技術優劣。

2.1 結構形式

蒸汽發生器的結構形式與蒸汽發生器的布置方式是對應的。

對于蒸汽發生器布置在堆芯正上方的一體化壓水堆(即高瘦型反應堆)，其蒸汽發生器主要由傳熱管、管板和二次側筒體構成，二次側筒體也是壓力容器的組成部分。其傳熱管內是一次側冷卻劑，管外為二次側流體，且采用大容積池式蒸發換熱。這類一體化壓水堆只有一臺蒸汽發生器，由于蒸汽發生器缺乏冗余，某些瞬態事故(如主蒸汽管道斷裂)對系統的穩定運行和反應堆的安全性有較大影響。

對于蒸汽發生器布置在壓力容器與吊籃之間環腔內的一體化壓水堆，其蒸汽發生器一般是多組獨立封裝的、浸沒在主冷卻劑中的傳熱管束。其傳熱管內是二次側流體，管外為一次側流體。由于傳熱管受外壓，在長期運行中傳熱管表面的微裂紋生長受到抑制，故一般認為這類蒸汽發生器發生傳熱管斷裂(SGTR)事故的可能性較低。然而，由于傳熱管受外壓，為避免薄壁外壓管發生軸向失穩，傳熱管的設計壁厚比受內壓時大，這將引起傳熱熱阻的增加。另外，在傳熱管與管板組裝過程中，常規壓水堆中的脹接工藝可能不適用。這類蒸汽發生器可以采用多模塊組合安裝，即在吊籃與壓力容器的環腔之間周向布置多臺并列的蒸汽發生器。

2.2 運行原理

根據其運行原理，一體化壓水堆蒸汽發生器可分為直流蒸汽發生器和飽和蒸汽發生器。

直流蒸汽發生器(OTSG)，即二次側給水一次性通過蒸汽發生器，受熱后全部變成蒸汽進入汽輪機。對于上述傳熱管內為二次側流體的蒸汽發生器，一般采用直流運行方式，如IRIS、SMART等。由于從直流蒸汽發生器中產生的蒸汽為過熱蒸汽，不需要設置汽水分離裝置，使得蒸汽發生器的結構簡單、體積小，從而有利于一體化。然而，直流蒸汽發生器不能實現二次側在線排污，給二次側水質控制帶來挑戰；另外由于二次側水裝量較少，系統的穩定性差，運行控制策略需要特別關注。mPower也采用了直流蒸汽發生器，但其傳熱管內為一次側流體，它具有不同的特性。

飽和蒸汽發生器的運行原理與常規壓水堆相似。C.A.P系列堆型將常規的倒U形管式飽和蒸汽發生器直接扣在壓力容器上，形成了獨具特色的一體化壓水堆。W-SMR直管蒸汽發生器結構與mPower相似，但其運行原理完全不同。實際上它是一種外循環分體式飽和蒸汽發生器，其傳熱管束設置在壓力容器內，而汽水分離裝置設置在壓力容器外。

2.3 傳熱管選型

各種蒸汽發生器分別采用了U形管、盤管、直管、套管等不同形式的傳熱管。

U形管在常規壓水堆蒸汽發生器中具有非常成熟的工程應用經驗，其優勢是軸向的熱脹自抵消，減輕了傳熱管兩端連接處的應力集中。然而U形管在現有一體化壓水堆的蒸汽發生器設計中少有采用。除了C.A.P系列外，IMR也采用了一種立式正U形管直流蒸汽發生器，其U形管內是二次側流體，二次側流體先下降后上升，傳熱過程是雙流程。

一體化壓水堆中采用盤管設計方案的較多，如SMART、IRIS、MRX等。盤管(即螺旋管)具有周向自由膨脹特性，可避免傳熱管兩端應力集中。盤管式蒸汽發生器又分為小盤管和大盤管兩種。小盤管是模塊式結構，每個模塊的傳熱也是相互獨立的。大盤管為整體式結構，其盤管環繞吊籃構成。由于盤管式蒸汽發生器多層傳熱管相互交錯，每層傳熱管的升角、曲率都不同，傳熱管束的制造、安裝工藝及管內探測和在役檢查工藝相對于直管或U形管更復雜。

某些一體化壓水堆蒸汽發生器采用了直管，如mPower、W-SMR等。直管式蒸汽發生器的優勢是制造工藝簡單、傳熱管在役檢查方便。由于軸向熱脹不一致，直管式蒸汽發生器的傳熱管與管板連接處存在應力集中問題。mPower蒸汽發生器繼承了巴威公司獨有的直管式直流蒸汽發生器技術(如三里島機組)，采用蒸汽回流加熱容器壁，補償容器壁的熱脹，從而消除或減輕了應力集中。W-SMR蒸汽發生器也采用了直管，但由于它采用飽和運行方式，二次側流體大部分處于飽和溫度，傳熱管兩端的平均溫差較小，使得傳熱管與管板連接處熱應力不明顯。

RITM等堆型采用了一種獨特的套管式蒸汽發生器，其傳熱管是雙層管結構。由于雙層管兩面換熱特性，其單位體積內的換熱面積近似增加一倍，因此這種蒸汽發生器結構緊湊、換熱效率高。套管式蒸汽發生器的關鍵技術在于傳熱管的封裝與焊接。因此，傳熱管材料的選擇對于蒸汽發生器的使用壽命和可靠性及其重要。

3 主泵布置設計特征

在一體化壓水堆中，主冷卻劑的傳熱循環是在壓力容器內完成。根據主冷卻劑循環的驅動方式可分為強迫循環和自然循環兩種類型。

采用自然循環的一體化壓水堆不需要設置主泵，可簡化系統。NHR、NuScale、CAREM、ABV等堆型都是自然循環式一體化壓水堆。由于泵失效引起的故障被排除，因而其固有安全性更好。然而，采用自然循環相對于強迫循環其傳熱效率較低，相同的堆功率往往需要更大尺寸的設備。

采用強迫循環的一體化壓水堆，需要在壓力容器內或壓力容器上布置主泵。根據泵的布置形式，又可分為外置式、插入式、內置三種方式。

外置式即主泵布置在壓力容器外，一般采用短套管將泵殼與壓力容器連接，如RITM堆型等，其布置技術難度小。

插入式主泵是將主泵的葉輪插入壓力容器內、驅動電機布置在外。大部分一體化壓水堆采用了這種類型，如SMART、W-SMR等。對于插入式布置，不同堆型又根據各自的設計要求和總體特征，分別采用了立式和臥式兩種主泵布置方式。

內置式主泵是將主泵完全布置在壓力容器內。IRIS等堆型采用了內置式主泵。采用內置式布置可減少大口徑的壓力容器貫穿，對于增強壓力容器的完整性和提高反應堆的安全性非常有益。然而泵完全浸沒在主冷卻劑中，需要克服高溫軸承、高溫電磁線圈等技術難題。另外，主泵相關的電氣控制系統、主泵在役檢查和維護也面臨挑戰。

4 控制棒驅動機構設計特征

總的來說，根據控制棒驅動機構布置方式，分為內置式和外置式兩類。

所謂外置式是將驅動機構布置于壓力容器外，即類似常規壓水堆中的布置方式，這類控制棒驅動機構具有良好的運行經驗。大多數一體化壓水堆采用了外置式控制棒驅動機構。

內置式是將驅動機構布置在壓力容器內，從而消除壓力容器上封頭驅動線的貫穿，增強壓力邊界的完整性。內置式控制棒驅動機構從根本上避免了彈棒事故的發生，從而提高反應堆安全性。

因此，在某些一體化壓水堆中，提出了新型的內置式控制棒驅動機構設計方案。根據驅動機構的運行原理，內置式控制棒驅動機構主要包括兩類：電力驅動式和水力驅動式。電力驅動式機構是以電機或電磁為主要驅動裝置的控制棒驅動機構。MRX采用了一種新型的電機驅動的內置式機構，由直流屏蔽電機、帶滾珠勾爪、螺桿構成。水力驅動式機構的基本原理是利用水流產生的壓頭來推動驅動線動作。水力驅動式不需要在壓力容器內布置電磁線圈，然而需要在外部布置一套水壓驅動與控制系統。我國NHR控制棒驅動機構就采用了這種運行原理。

盡管內置式控制棒驅動機構相對于外置式有一定優勢，然而在設備檢修、運行可靠性等方面仍存在不足。目前內置式控制棒驅動機構的實際運行經驗不多，一些新型內置機構還處于研發階段。

5 穩壓器設計特征

大部分一體化壓水堆將穩壓器內置于壓力容器內，從而去除了穩壓器波動管，進而降低了發生破口事故的可能性，提高了安全性。一般在壓力容器頂蓋處設置一定的空腔和水容積實現系統穩壓。

各種內置式穩壓器運行原理也不盡相同。大多數一體化壓水堆采用了常規壓水堆的飽和蒸汽穩壓方式，即通過電加熱和噴淋來實現壓力調節控制；IRIS利用大容積穩壓器的緩沖和自穩定性；CAREM、NuScale等自然循環式的一體化壓水堆采用了蒸汽自穩壓方式來實現其壓力控制。后兩類不需要設置電加熱和噴霧裝置，簡化了系統。另外也有部分一體化壓水堆采用了氮氣穩壓策略，或汽-氣混合穩壓策略，通過外接氮氣系統來實現壓力控制。

6 壓力容器設計特征

一體化壓水堆的壓力容器本質上與常規壓水堆的壓力容器相同；但由于一體化壓水堆將某些主設備內置，且主冷卻劑在壓力容器內循環，因此堆內結構比常規壓水堆復雜。另外，為包容內置設備，壓力容器的尺寸相對較大。一般來說十萬千瓦級一體化壓水堆(如SMART)的壓力容器與百萬千瓦級常規壓水堆的壓力容器尺寸相當。由于受制于壓力容器大型鍛件的制造能力，一體化壓水堆的設計功率也受限，故一體化結構一般只適用于小功率壓水堆，大型壓水堆難以采用一體化結構。

為適應主設備的布置，各一體化壓水堆的壓力容器設計細節稍有不同，如在某些設計中，壓力容器上封頭為平板型結構、下筒體為錐型結構等。另外，某些設計還采用了雙重壓力容器(或高壓保護容器、小型安全殼)方案來增強實體包容邊界的完整性，如NHR、NuScale等。

7 結語

縱觀世界一體化壓水堆的發展歷程，除少數幾個堆型有實際工程應用案例外，大部分堆型仍處于概念研發階段。新型主設備的開發仍是當前一體化壓水堆技術走向實際工程所面臨的關鍵技術難題。盡管當前世界各核能研發機構在一體化壓水堆設計中提出了多種全新的主設備方案，然而這些設計方案的合理性、可行性及實際運行效果，仍需要在長期實踐中檢驗。新型核電設備不僅要原理可行，而且要可設計、可制造、可檢查、可維修。從概念方案到實際工程應用全部走通，或許只是第一步，長期在堆運行效果、運行可靠性、維護便利性才是評價該新型技術方案優劣的最終標準。

目前，世界上一體化壓水堆的技術發展仍處于“探路”階段，各研發機構提出的多種可選的技術方案或設計構想，各具有不同的設計特征。本文從壓力容器整體結構、蒸汽發生器、主泵布置、控制棒驅動機構、穩壓器等方面比較了各種一體化壓水堆主設備設計方案的技術差異，分析了各方案固有的技術優勢和劣勢、以及它們可能存在的技術問題和挑戰，為新型一體化壓水堆主設備的研究設計提供指導。

然而，單個設備的方案設計并不是獨立進行的，而是需要與總體技術方案相匹配的；并且，單個設備技術方案存在的劣勢和短板也可能從其他系統的設計方案中得到平衡和補償；只有各系統、各設備方案相互配合支撐，才能發揮良好的綜合效果。相對來說，在總體層面的平衡與取舍，更大程度地影響了設備設計方案的選擇。特別是在方案研究的初始階段，宜根據預期的應用領域和潛在需求，充分認識各類設備、各種選型方案的技術特征和優劣，從設計、運行、在役維護等多個維度在頂層做好總體平衡。這是新型核電設備設計、乃至一體化壓水堆總體方案設計的關鍵。

[1] 陳世君. 國外艦船一體化壓水堆技術發展趨勢及其應用前景[J]. 國外核動力, 2003 (1): 2-11.

[2] IAEA. Integral design concepts of advanced water cooled reactors: IAEA-TECDOC-977[R]. Vienna: IAEA, 1997.

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[4] IAEA. Status of innovative small and medium sized reactor designs 2005: IAEA-TECDOC-1485[R]. Vienna: IAEA, 2006.

[5] IAEA. Status of small and medium sized reactor designs: a supplement to the IAEA advanced reactors information system (ARIS)[R]. Vienna: IAEA, 2011.

[6] ZVEREV D L, PAKHOMOV A N, POLUNICHEV V I, et al. RITM-200: new-generation reactor for a new nuclear icebreaker[J]. Atomic Energy, 2013, 113(6): 404-409.

[7] 陳炳德. 日本小型核動力反應堆及其技術特點[J]. 核動力工程, 2004, 25(3): 193-197, 202.

[8] 張亞軍, 王秀珍. 200 MW低溫核供熱堆研究進展及產業化發展前景[J]. 核動力工程, 2003, 24(2): 180-183, 189.

[9] 劉聚奎. 法國一體化壓水堆C.A.P.述評[J]. 核動力工程, 1990, 11(1): 43-47.

Study on the Design of Main Components for Small Integral PWRs

Lin Qian

(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200233, China)

An introduction is presented to the design features of main components for new concept integral pressurized water reactors (PWRs), including the design features of integral structures for various types of reactors as well as that of other main components, such as steam generator, reactor coolant pump, control rod driving mechanism and pressurizer, etc. Meanwhile, a comparative analysis is made on technical difference and potential problems of various schemes, which may serve as a reference for research and development of main components for new integral PWRs.

small modular reactor; integral PWR; main component

2016-07-15；

2016-08-05

上海市青年科技啟明星計劃(12QB1402100)；國家核電技術公司員工自主創新課題(SNP-KJ-CX-2014-17)

林 千(1982—)，男，高級工程師，主要從事新型反應堆研究。E-mail: linqian@snerdi.com.cn

TL351.6; TL353.1

A

1671-086X(2017)03-0171-05