核電廠反應堆小幅功率提升技術(shù)的應用

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、選址要求嚴格，同時，近些年來公眾鄰避效應日益突出，因此，新建核電廠越來越困難，許多發(fā)達國家政府也因此逐步放棄新建核電廠的規(guī)劃，將重點轉(zhuǎn)移到功率提升技術(shù)的應用方面[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，得到了廣泛的應用[2]。2000年，美國NRC 對法規(guī)文件10CFR50 附錄K 進行修改，允許通過提高給水流量的測量精度來減小核電廠的運行裕度[3]。截至目前，NRC 已經(jīng)審核批準了65 臺機組的小幅功率提升，總計提升3037 MW的熱功率。

本文通過研究反應堆小幅提升功率技術(shù)，借鑒國外的運行經(jīng)驗，結(jié)合我國核電行業(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，反應堆熱功率的計算主要采用熱平衡方法，計算公式如式（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量蒸汽發(fā)生器進、出口位置的溫度和壓力獲得，測量結(jié)果比較準確。因此，熱功率測量的不確定度主要來源于給水流量測量的誤差。根據(jù)法國電力集團（EDF）的計算分析，由給水流量測量帶來的不確定度約占功率測量不確定度的83%，因此，提高給水測量精度能有效提高核反應堆熱功率的測量精度[4]。

核電廠主要采用文丘里流量計、噴嘴或孔板來測量給水流量，這些流量計工作原理簡單、可靠、測量精度較高。但是，運行經(jīng)驗表明上述裝置的測量元件容易結(jié)垢，導致功率測量值偏高，致使核電廠在非滿功率狀態(tài)下運行。核電廠熱功率測量的不確定度約2%，為了確保反應堆的安全運行，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量給水流量，例如，超聲波流量計可以將熱功率的測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 應用

功率提升技術(shù)在國外已經(jīng)實現(xiàn)了工程應用。功率提升主要有3種方式，如表1所示。以美國為例，美國于20世紀70年代就實現(xiàn)了中幅功率提升技術(shù)的應用，到2000 年后，美國開展了小幅功率提升和大幅功率提升的應用。截至目前，美國累計完成了164座反應堆的功率提升技術(shù)的應用，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，美國的實踐經(jīng)驗表明，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)同時應用，不會相互影響。

2 實現(xiàn)小幅功率提升的技術(shù)要求

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

要實現(xiàn)小幅功率提升技術(shù)在核電廠中的應用，申請者除了使用經(jīng)許可的高精度流量計來測量給水，還需要開展詳細的技術(shù)分析工作，主要包括測量不確定度的分析、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

功率測量不確定度的計算是小幅功率提升的重要環(huán)節(jié)，計算結(jié)果直接影響核電廠功率的提升幅度，因此，需要詳細計算。同時，需要確認超聲波流量計的安全等級，并制訂流量計校準、維修規(guī)程及儀表故障的應對措施。

一是要求申請單位根據(jù)最終安全分析報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開展的。

二是要評估功率提升對核電廠關(guān)鍵設(shè)備的影響。表4列出了需評估的設(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，則需進行詳細的分析，包括確認和評估功率提升給電氣設(shè)備帶來的改變。評估的對象是表5中給出的4項內(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 安全審評重點關(guān)注的問題

核電廠營運單位按要求開展詳細的技術(shù)評估工作之后，向監(jiān)管機構(gòu)提交申請報告，監(jiān)管機構(gòu)組織開展安全審評工作。結(jié)合國外小幅功率提升技術(shù)運行實踐經(jīng)驗，總結(jié)安全相關(guān)的重點問題。

4 小幅功率提升技術(shù)在國內(nèi)的應用

我國在役核電機組共45 臺，在建核電機組共11 臺，預計總裝機容量能達到約54.8 GW。如果實現(xiàn)小幅功率技術(shù)的應用，估計能將裝機容量提升0.93 GW，相當于新建一座百萬千瓦級的核電廠。而且，隨著我國核電的快速發(fā)展，我國在核電設(shè)計和安全審評領(lǐng)域已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗。在保證現(xiàn)有安全水平的情況下，實現(xiàn)小幅功率提升技術(shù)在核電廠的應用是可行的。

表8 審評重點關(guān)注的問題Table 8 The key issues of review

同時，由于我國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，還需要進一步開展技術(shù)研究工作。

4.1 指導性文件的制定

我國監(jiān)管機構(gòu)應組織制訂核電廠功率小幅提升的指導性文件，完成該技術(shù)領(lǐng)域的頂層設(shè)計，為相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和審評能力的提升提供依據(jù)。但是，我國的核電堆型眾多，技術(shù)特點差異性較大，主要有二代加和三代技術(shù)差異、能動、非能動及能動結(jié)合非能動技術(shù)差異等，給指導性文件的制訂帶來了一定的困難。因此，需要充分調(diào)研國內(nèi)主流堆型的實際運行特性，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文件。同時，結(jié)合我國法規(guī)、導則體系，制訂符合我國國情的指導性文件。

4.2 高精度流量計的研發(fā)、校準和安裝

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

關(guān)于超聲波流量計的校準和標定，影響超聲波流量計測量精度的因素主要有管道尺寸誤差、流體溫度和壓力的測量誤差、傳感器誤差和管道內(nèi)流型因子誤差等問題。因此，超聲波流量計應在實驗室條件下開展不同工況條件下的測量，給出實驗室條件下流量測量的不確定度。由于高精度流量計本身測量精度高，對實驗室標定設(shè)備提出了更高的要求，這也是目前國內(nèi)需要解決的難題[11]。

超聲波流量計經(jīng)過實驗室校準后，在實際安裝中盡量保持與實驗室一致，存在差異的應給出差異對不確定度的影響。電廠超聲波流量計應制定定期的維修計劃和在線校準。同時，需制訂超聲波流量計故障后電廠運行模式后撤計劃，保證電廠的安全運行。

本文認為應依據(jù)ANSI/ASME PTC19.1-1985和測量不確定度評定與表示標準，制訂一套合理的超聲波流量計測量不確定分析的方法論，給出各誤差來源對測量不確定度的影響，最終計算出總的功率測量不確定度，為核電廠確定實際提升功率幅度提供依據(jù)。

4.3 安全分析技術(shù)

由于核電廠運行功率的提升，安全分析報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行分析。該部分分析主要是由核電廠組織開展的，并對核電廠最終的安全分析報告中的相關(guān)內(nèi)容進行修改，并提交核安全監(jiān)管當局，監(jiān)管當局組織對更新后的最終安全分析報告進行評審，評審通過后發(fā)放新的許可證。

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

此外，由于運行功率的提升，申請者還應對核電廠運行技術(shù)規(guī)格書進行評估，對相應的內(nèi)容進行修改，并提交監(jiān)管當局進行審查。

5 結(jié)論

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

（1）應加快制定我國核電廠功率小幅提升的指導性文件，為技術(shù)的應用和安全審評提供依據(jù)；

（2）加快推進國內(nèi)高精度超聲波流量計的研發(fā)工作，并建立一套超聲波流量計測量不確定度分析、流量計的校準、流量計的電廠安裝和定期維護方法；

（3）應進一步提升安全分析報告中對功率提升敏感度較高事項的分析和審評能力，提升電廠技術(shù)規(guī)格書的修訂和審查能力。