非能動安全殼空氣冷卻系統設計研究及評價

孫超杰，劉嘉維，汪晨輝，劉長亮，朱京梅

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

小型堆作為一種安全、經濟的核電新堆型，受到越來越多國家的關注，同時也是國際原子能機構(IAEA)鼓勵發展和應用的一個核能開發新方向[1]。小型堆具有高度的安全性、良好的經濟性、功率規模的靈活性和特殊廠址的適應性，能夠滿足中小型電網的供電、城市供熱、工業供熱和海水淡化等各種領域應用的需求[2]，是大型核電機組無法取代的。

小型堆主要技術特點有：一體化反應堆；高效直流蒸發器；屏蔽主泵；能動+非能動等。其中，非能動安全殼冷卻系統作為重要的非能動安全系統之一，其設計和驗證[3]顯得尤為重要。經過系統調研發現[4]，目前國際上安全殼冷卻普遍采用的介質是水或水和空氣，前者主要針對混凝土安全殼，而后者主要針對鋼制安全殼。對于采用鋼制安全殼的小型堆，由于其額定功率小、鋼殼自身換熱特性好和殼內自由容積大的特點，具備采用空氣進行冷卻的條件，并且能大大提高機組的經濟性和創新性。目前，國內外對非能動安全殼的冷卻研究集中在大堆的水冷[5-6]，而對小型堆的空冷研究甚少，因此對其研究顯得尤其重要。

本文針對小型堆鋼制安全殼冷卻系統，提出了兩種非能動空氣冷卻方案，通過理論計算進行了分析和驗證，并從安全性、經濟性和創新性角度，分別進行對比和分析，提出更優的系統設計方案。

1 系統調研和設計

采用非能動設計理念，為安全殼提供冷卻的可利用介質主要有水和空氣，經過調研發現，目前普遍采用的是水冷或者空冷+水冷。

美國西屋公司在AP600技術[7]上同時采用了水和空氣作為非能動冷卻介質，當堆芯衰變熱較小時，僅采用空氣自然循環冷卻；當堆芯衰變熱較大時，同時利用重力排水和空氣自然循環進行冷卻。美國馬里蘭大學核工程研究中心聯合其他單位提出了環繞水池冷卻系統的方案，該方案綜合利用了空氣循環對流和內外水池蒸發的方式對鋼制安全殼進行有效冷卻。德國Karlsruhe研究中心提出了一種安全殼空冷結構[8]，由內置的鋼制安全殼和外面的混凝土殼構成，空氣下進上出，但是該研究只處在科研階段，并沒有從工程應用角度考慮具體的可實施方案。

小型堆采用雙殼設計，內部設置鋼制安全殼，外部設置混凝土安全殼，經過充分調研和初步評估，小型堆由于自身功率小，具備依靠空氣非能動冷卻的條件。該系統利用鋼制安全殼殼體作為一個傳熱表面，安全殼內表面受蒸汽冷凝、蒸汽及殼內大氣的對流及輻射等影響而被加熱，然后通過導熱將熱量傳遞至鋼殼體，受熱的鋼殼外表面通過傳導、對流及輻射將熱量傳遞給冷空氣、混凝土殼或導流板，最終由自然循環的冷空氣流經兩側表面時將熱量帶到環境。

非能動安全殼空氣自然循環設計應滿足以下原則：

1) 空氣入口和出口的設計與布置充分考慮使周邊環境對空氣自然循環的影響降到最低，并應考慮外部極端的天氣條件;

2) 空氣流道的設計與布置應盡量簡單，盡量減小空氣流動損失;

3) 空氣出口的結構高于空氣入口，以提供額外的浮升力，并盡量減少排出的空氣重新進入空氣入口。

空氣自然循環通道是常開的，未設置任何能動設備，在空氣入口和出口處設置專用設施以防雨雪、飛射物及其他外部物體。當安全殼內溫度大于環境溫度時，致使鋼殼周圍的空氣密度小于環境空氣密度，當密度差達到一定程度時，就會在這種驅動力的作用下，迫使環境空氣從入口進入，然后流經鋼殼外表面，通過對流換熱和熱輻射帶走熱量，最后經空氣出口返回至環境。

1.1 設計方案A

考慮防飛機或其他物項撞擊，空氣入口及出口不宜選取面積較大的開洞，同時考慮盡量減少周圍廠房及風速風向的影響，入口采用創新性的“箱體”結構，出口采用“雙環墻”結構，換熱通道通過兩殼之間設計空氣導流板以構建空氣冷卻的通道，如圖1所示，箭頭表示空氣自然循環的流向。

圖1 系統設計方案AFig.1 System design scheme A

入口采用“箱體”結構可以降低混凝土殼高度，降低造價，同時增強頂部擴散區域的換熱強度。為了保證結構強度，“箱體”豎向采用雙層φ480×15等間距4°開孔的環形布置，底部采用雙層φ480×15等間距5°開孔的環形布置；豎向開孔采用向上45°傾斜以防止飛機撞擊后燃油等進入殼內。對于空氣出口，主要考慮防止飛機撞擊、燃油灌入及雨雪等異物進入屏蔽廠房內，設計空氣側出的“雙環墻”結構，沿圓周布置8個1.2 m×2.2 m的孔洞，如圖1和2所示?？諝鈱Я靼宓撞吭O計導流筒以減少空氣流動阻力。

圖2 入口(左)和出口(右)示意圖Fig.2 Inlet (left) and outlet (right) schematic diagram

1.2 設計方案B

依據周邊廠房布置情況，將空氣入口設置在緊貼周邊廠房外側，盡量按照90°間隔布置四條底部通風廊道和四個空氣入口，該設計方案如圖3所示。

圖3 系統設計方案BFig.3 System design scheme B

依據廠址洪水位高度，將空氣入口設置在距地面一定高度。每條通風廊道都是直向的，以盡量減少流動阻力。冷卻空氣從四個空氣入口進入，經過通風廊道后在底部環廊混合，并經過周向均勻布置的豎向孔洞(φ700×36)流入鋼殼與混凝土殼的環廊(兩殼環廊)，最終流經鋼殼外壁面和混凝土殼內壁面后，從頂部出口流出。圖3中箭頭表示空氣自然循環的流向。該方案直接利用兩殼環廊作為換熱通道，并提出工程可實施性的底部通風方案，且無工程先例，與方案A的空氣出口設計相同，主要差異在于空氣入口和流道，該方案使用底部通道和兩殼環廊作為空氣流道，因此可以避免使用空氣導流板，可以節省龐大的安裝和維修工作量，提升經濟性。

2 系統方案驗證和評價

2.1 方案驗證

為了驗證上述設計方案的可行性，采用Gothic程序，其建模參數如表1所示，鋼殼自由容積為29 000 m3。

表1 小型堆結構參數

依據某廠址的環境條件和苛刻的事故源項，進行保守假設、分析和計算，得出事故工況下安全殼內的壓力和露點溫度曲線，其結果如圖4和圖5所示。

圖4 安全殼內壓力變化曲線Fig.4 Pressure change curve inside the containment

圖5 安全殼內露點溫度變化曲線Fig.5 Temperature change curve inside the containment

小型堆鋼制安全殼設計壓力和溫度分別為0.46 MPa和140 ℃，從圖4和圖5中可以發現，這兩種系統方案在事故下的最大響應壓力均不超過0.22 MPa，最大響應溫度均不超過100 ℃，在安全限值以內，能夠滿足相關安全準則要求，保證安全殼的完整性，因此這兩種方案均能滿足系統功能要求，且方案B優于方案A。對于方案B，即使在極端氣象條件下，一個或兩個入口堵塞也不影響系統功能。

2.2 方案評價

通過上述計算和分析，可知兩種設計方案都是可行的。方案A與方案B的主要差異在于空氣入口和換熱通道，方案A的入口標高高于方案B，數量多且布置均勻，其換熱通道通過空氣導流板構建的，而方案B的入口標高相對較低，數量少且受周邊廠房影響，其換熱通道直接利用兩殼環廊，避免了空氣導流板的使用。兩種方案經對比后，其優缺點如表2所示。

表2 兩種方案優缺點

從安全性角度，兩種方案均能滿足系統功能要求。即使在惡劣環境風的影響下，兩種方案也能維持系統換熱功率。從經濟性角度，由于空氣導流板材料昂貴，且使用量巨大，使得方案B的成本低于方案A。從創新性角度，方案B結合工程實際情況，首次提出了具有工程可實施性的底部廊道通風方案和鋼殼底部結構方案，因此方案B的創新性優于方案A。

3 結論

小型堆安全殼采用非能動空氣冷卻的方案是可行的。針對空冷思路，提出了兩種滿足系統功能要求且具有工程可實施性的系統設計方案A和B，從安全性、經濟性及創新性角度，經過對比和分析，發現方案B更具有優勢和競爭性，該方案避免了使用空氣導流板帶來的一系列工程難題，如抗震分析和安裝維護等，同時首次創新性地提出底部廊道通風的空冷方案，并已應用于實際工程。