AP1000非能動三代核電技術(shù)及工程進(jìn)展①

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(山東核電有限公司，山東　煙臺　265100)

從20世紀(jì)80年代中期以來，國際核能界廣泛展開了第三代核電技術(shù)的研發(fā)，取得了多種具有工程實(shí)用價值的成果，如先進(jìn)沸水堆(ABWR)、AP600/1000、歐洲壓水堆(EPR)等[1]。AP1000是由美國西屋公司在傳統(tǒng)成熟的壓水堆核電技術(shù)的基礎(chǔ)上，總結(jié)吸收全球12 000堆·年核電運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及三哩島、切爾諾貝利核事故教訓(xùn)，開發(fā)的先進(jìn)三代壓水堆。AP1000標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計在2004年9月通過了安全審評，取得了NRC頒發(fā)的最終設(shè)計批準(zhǔn)書，并在完成公眾聽證流程后，于2005年12月30日獲得了NRC頒發(fā)的設(shè)計證書。

目前，依托項(xiàng)目三門和海陽核電站的1號機(jī)組已完成了裝料前的所有調(diào)試工作，具備裝料條件，兩個項(xiàng)目2號機(jī)組也已經(jīng)基本完成建安工作，正在進(jìn)行裝料前預(yù)運(yùn)行試驗(yàn)。AP1000技術(shù)引進(jìn)工作基本完成，通過消化吸收完成了CAP1000標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的CAP1400非能動核電技術(shù)。

1　AP1000主要技術(shù)特點(diǎn)

AP1000主要技術(shù)特點(diǎn)包括采用非能動安全系統(tǒng)、簡化設(shè)計、采用成熟的技術(shù)和模塊化施工等。AP1000的堆芯熔化概率(CDF)和大量放射性物質(zhì)的釋放概率(LRF)分別是5.07×10-7/堆·年和5.94×10-8/堆·年，遠(yuǎn)高于美國《先進(jìn)輕水堆用戶要求文件》(URD)和我國核安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.1　非能動安全系統(tǒng)

AP1000技術(shù)的一個重要特征是采用了非能動安全系統(tǒng)，即安全系統(tǒng)的設(shè)計采用重力、自然循環(huán)等自然力和蓄能驅(qū)動流體流動，在異?；蚴鹿使r下，帶走堆芯余熱和安全殼的熱量，不需要泵、風(fēng)機(jī)或柴油機(jī)等能動部件；可以在沒有交流電源、設(shè)冷水、廠用水以及HVAC(供暖、通風(fēng)與空調(diào))等安全支持系統(tǒng)的條件下，保持電廠的安全[2-3]。

AP1000非能動堆芯冷卻系統(tǒng)(PXS)如圖1所示，包括非能動安全注射子系統(tǒng)、非能動余熱排出子系統(tǒng)(非能動余熱排出熱交換器，PRHR HX)、自動卸壓子系統(tǒng)和安全殼內(nèi)pH控制子系統(tǒng)。非能動安全注入子系統(tǒng)包括高壓注入(堆芯補(bǔ)水箱，CMT)、中壓注入(安注箱，ACC)、低壓注入(安全殼內(nèi)置換料水箱，IRWST)和堆芯長期冷卻(IRWST的地坑和再循環(huán))。自動卸壓子系統(tǒng)(ADS)的主要功能是在設(shè)計基準(zhǔn)事故下對反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)自動降壓，以確保安全注入和防止高壓熔堆，1～3級卸壓是為ACC注入(以及RNS運(yùn)行)提供前期卸壓，第4級卸壓是為IRWST注入提供末期卸壓。在設(shè)計基準(zhǔn)事故工況下，非能動堆芯冷卻系統(tǒng)能夠建立并維持堆芯冷卻和安全殼完整性，在72 h內(nèi)不需要操作員介入；在完全喪失冷卻劑的嚴(yán)重事故工況下，能夠快速給反應(yīng)堆壓力容器充水，重新淹沒堆芯并持續(xù)導(dǎo)出堆芯余熱。

為了驗(yàn)證非能動系統(tǒng)的設(shè)計功能，在裝料前預(yù)運(yùn)行試驗(yàn)中安排了26項(xiàng)系統(tǒng)試驗(yàn)，通過冷態(tài)試驗(yàn)，驗(yàn)證了流道阻力、回流能力、PCS疏水能力和安全殼水膜覆蓋率，熱態(tài)功能試驗(yàn)驗(yàn)證了PRHR余熱導(dǎo)出能力、CMT和ADS排放能力。

作為示例，圖2和圖3給出了海陽核電站1號機(jī)組PRHR強(qiáng)制循環(huán)和自然循環(huán)試驗(yàn)和計算結(jié)果對比。從圖2和圖3可以看出，采用LOFTRAN程序?qū)RHR強(qiáng)迫循環(huán)和自然循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行了模擬且保持PRHR的入口流量和入口溫度與試驗(yàn)測量結(jié)果基本保持一致，試驗(yàn)測量的PRHR換熱量始終高于程序計算的值，表明PRHR換熱能力滿足設(shè)計要求。

圖2　PRHR強(qiáng)制循環(huán)換熱量Fig.2　PRHR heat transfer by forced circulating

圖3　PRHR自然循環(huán)換熱量Fig.3　PRHR heat transfer by natural circulating

非能動安全殼冷卻系統(tǒng)(PCS)，利用安裝在廠房頂部儲水箱中的水依靠重力流下并噴向安全殼外表面，將設(shè)計基準(zhǔn)事故下蒸汽在安全殼內(nèi)表面冷凝釋放的熱量移除。設(shè)計基準(zhǔn)事故72 h內(nèi)，PCS利用非能動方式排出安全殼內(nèi)熱量，不需要任何補(bǔ)給或操縱員干預(yù)。設(shè)計基準(zhǔn)事故發(fā)生72 h后，可通過能動的再循環(huán)管路或移動泵向安全殼冷卻水箱提供冷卻水。圖4為海陽核電站1號機(jī)組PCS系統(tǒng)落水試驗(yàn)流量與安全分析數(shù)據(jù)及預(yù)測值的對比，從圖中可以看出，試驗(yàn)滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則，確認(rèn)了安全分析的保守性。

圖4　非能動安全殼冷卻系統(tǒng)(PCS)落水試驗(yàn)流量Fig.4　The discharge flow of passive containment cooling system (PCS)

1.2　簡化的設(shè)計

非能動理念使專設(shè)安全系統(tǒng)簡化，安全支持系統(tǒng)以及安全級設(shè)備和抗震廠房減少，1E級應(yīng)急柴油機(jī)系統(tǒng)和很多能動設(shè)備被取消，大宗材料需求明顯降低。AP1000專設(shè)安全系統(tǒng)及其設(shè)備數(shù)量與傳統(tǒng)壓水堆核電廠相比減少的幅度很大，閥門、管道、電纜、泵、抗震廠房分別減少了約50%、80%、70%、35%和45%[1]。

1.3　采用成熟的技術(shù)

AP1000的核心系統(tǒng)和設(shè)備，包括反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)、堆芯、反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器等，均采用相對成熟的技術(shù)。

反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)：采用與第二代核電站“系統(tǒng)80”相同的二環(huán)路系統(tǒng)。反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)有兩個分別帶有一個熱管段和兩個冷管段的回路、一臺蒸汽發(fā)生器以及與之直接連接的兩臺反應(yīng)堆冷卻劑泵，取消了原先泵與蒸汽發(fā)生器之間連接的一回路管道。反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的支承結(jié)構(gòu)得到簡化，可減少在役檢查工作量并提高設(shè)備的可維修性。

反應(yīng)堆壓力容器、堆芯和燃料：AP1000的堆芯、反應(yīng)堆壓力容器和堆內(nèi)構(gòu)件都類似于西屋公司的常規(guī)壓水堆設(shè)計，與正在運(yùn)行的比利時Doel 4和Tihange3核電廠基本相同。AP1000堆芯采用了西屋的ROBUST燃料組件設(shè)計，堆芯由157組17×17矩陣排列的燃料組件構(gòu)成，燃料采用ZIRLO格架、可拆式上管座和更深燃耗等。

蒸汽發(fā)生器：采用△125型蒸汽發(fā)生器，它是在已有成熟運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)△75型蒸汽發(fā)生器基礎(chǔ)上的改進(jìn)，與ANO核電站的蒸汽發(fā)生器的功率相近。

穩(wěn)壓器：與第二代核電站的相同，但增大了容積，AP1000穩(wěn)壓器容積為59.4 m3，增加了瞬態(tài)運(yùn)行余量，減少非計劃停堆次數(shù)，使電廠能夠更加可靠的運(yùn)行。

AP1000采用的屏蔽電機(jī)主泵和爆破閥是首次應(yīng)用于壓水堆核電站，但也都屬于成熟技術(shù)或者經(jīng)過了嚴(yán)格的測試和論證。

(1)主泵

AP1000采用的屏蔽電機(jī)主泵，為變頻驅(qū)動的立式、單級、全密封、高轉(zhuǎn)動慣量、鼠籠式異步電機(jī)離心泵，具有技術(shù)含量高、機(jī)構(gòu)復(fù)雜、制造難度大等特點(diǎn)。該泵取消了軸封設(shè)計，不會因?yàn)閱适лS封冷卻而出現(xiàn)一回路破口。

AP1000屏蔽電機(jī)主泵由美國EMD負(fù)責(zé)設(shè)計、制造和試驗(yàn)。EMD作為在屏蔽主泵領(lǐng)域美國軍方唯一的供貨方，自1952年世界上第一臺核動力潛艇鸚鵡螺號的屏蔽泵開始，持續(xù)為美國海軍提供屏蔽泵，共計供應(yīng)約1 500臺屏蔽電機(jī)泵。

AP1000主泵在設(shè)計制造完成后，在工廠執(zhí)行了20項(xiàng)工程和耐久試驗(yàn)項(xiàng)目，包括冷態(tài)性能試驗(yàn)、熱態(tài)性能試驗(yàn)、壓力脈動試驗(yàn)、汽蝕試驗(yàn)、正轉(zhuǎn)空載推力試驗(yàn)、反轉(zhuǎn)空載推力試驗(yàn)、反轉(zhuǎn)帶載推力試驗(yàn)、正轉(zhuǎn)可運(yùn)行試驗(yàn)、反轉(zhuǎn)工況下正向啟動試驗(yàn)、電氣平衡試驗(yàn)、熱態(tài)絕緣電阻試驗(yàn)、滑差試驗(yàn)、降電壓懸停試驗(yàn)、空載飽和試驗(yàn)、循環(huán)試驗(yàn)(50個循環(huán)，含500次啟停)、運(yùn)行試驗(yàn)(累計運(yùn)行500 h)、失電試驗(yàn)、失水試驗(yàn)和惰轉(zhuǎn)試驗(yàn)，這些試驗(yàn)項(xiàng)目覆蓋電廠壽期內(nèi)各瞬態(tài)要求，運(yùn)行時間已充分考慮主泵失效誘因。在獲得水力性能的基礎(chǔ)上，考核了水力部件、汽蝕性能、軸承載荷、電機(jī)絕緣、瞬態(tài)性能和惰轉(zhuǎn)性能等。試驗(yàn)完成后，進(jìn)行了整泵拆檢(包括軸承磨損量)，拆檢結(jié)果(包括軸承磨損量)滿足設(shè)計要求。

調(diào)試期間，三門、海陽核電站1號機(jī)組分別根據(jù)裝料前主泵的冷態(tài)和熱態(tài)功能試驗(yàn)程序進(jìn)行了主泵的相關(guān)試驗(yàn)，主要試驗(yàn)項(xiàng)目及目的如表1所示。

表1　調(diào)試期間主泵試驗(yàn)Table 1　RCP tests during commissioning stage

裝料前預(yù)運(yùn)行試驗(yàn)期間，三門、海陽核電站1號機(jī)組8臺主泵已累計完成184次啟停、19 392 h運(yùn)行，單機(jī)最長連續(xù)運(yùn)行時間528 h，期間主泵各參數(shù)正常，運(yùn)行穩(wěn)定。主泵在各溫度平臺下的電流、功率、定子溫度等電機(jī)特性滿足設(shè)計要求，主泵壓降和流量正常，主泵惰轉(zhuǎn)流量滿足設(shè)計要求。

(2)爆破閥

AP1000核電廠中使用了12臺爆破閥，分別用于自動降壓系統(tǒng)的第4級自動降壓子系統(tǒng)(DN350，每個環(huán)路2臺，共4臺)、低壓注射回路(DN200，4臺)和安全殼再循環(huán)回路(DN200，4臺)。

爆破閥主要由藥筒驅(qū)動裝置、拉緊螺栓、活塞、剪切蓋、閥體、閥蓋等幾部分組成，如圖5所示。爆破閥在電廠正常運(yùn)行期間，保證零泄漏。在發(fā)生事故需要打開爆破閥時，點(diǎn)火器接受到規(guī)定的點(diǎn)火指令信號后起爆，引爆藥筒內(nèi)推進(jìn)劑(火藥)產(chǎn)生高溫高壓氣體，將拉緊螺栓拉斷，驅(qū)動活塞加速向下運(yùn)動，至行程末階段沖擊剪斷流道處密閉的剪切蓋，且剩余能量由緩沖組件吸收，從而驅(qū)動閥門至全開位置，提供介質(zhì)流道。

爆破閥充分借鑒和沿用了以往沸水堆、航天、軍工等領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)及可靠性數(shù)據(jù)，進(jìn)行了系統(tǒng)性的樣機(jī)設(shè)計、制造和試驗(yàn)驗(yàn)證，且依照ASME、IEEE、RG等有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行了完整的設(shè)備鑒定，確保其具備履行預(yù)期安全有關(guān)功能的能力。同時，設(shè)計中充分考慮了防誤動措施，其誤動概率極低，且即使誤動，工況也可被安全分析所包絡(luò)。

核電廠運(yùn)行后，將按照ASME OM的規(guī)定，在每次換料停堆期間，抽檢至少25%藥筒驅(qū)動裝置進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)，同時檢測點(diǎn)火回路的電氣連續(xù)性。

1.4　模塊化建造技術(shù)

AP1000壓水堆核電站每臺機(jī)組有191個模塊，包括123個結(jié)構(gòu)模塊、68個機(jī)械模塊，AP1000將模塊的規(guī)模和數(shù)量做到了最大化，實(shí)現(xiàn)了從“模塊”到“模塊化”質(zhì)的飛躍，從而使得模塊化建造成為AP1000三代壓水堆核電站采用的一種全新的建造理念。

如圖6所示，模塊化建造技術(shù)從根本上改變了傳統(tǒng)的建造模式，由過去分散的勞動密集型逐步轉(zhuǎn)向?yàn)楣S化的集約型建造模式。它對傳統(tǒng)施工理念進(jìn)行優(yōu)化，大量引入平行作業(yè)，依靠先進(jìn)的設(shè)計、制造和建造技術(shù)，將土建、安裝、調(diào)試等工序進(jìn)行深度交叉，為核電建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)一步縮短工期、降低造價、提升質(zhì)量和安全文明施工均提供了可能。

圖6　模塊化建造的實(shí)施過程Fig.6　The implementation of modular construction

2　依托項(xiàng)目進(jìn)展

2.1　總體進(jìn)展

依托項(xiàng)目三門核電站、海陽核電站1號機(jī)組共計91個里程碑節(jié)點(diǎn)，截至目前，累計完成81個，土建安裝完成，冷態(tài)水壓試驗(yàn)、熱態(tài)功能試驗(yàn)全面完成，裝料前國家核安全局綜合核安全檢查整改項(xiàng)已落實(shí)。三門核電站、海陽核電站1號機(jī)組已具備裝料條件。

2.2　組織管理

AP1000依托項(xiàng)目NI合同由國家核電技術(shù)公司和三門核電有限公司、山東核電有限公司兩個業(yè)主共同作為聯(lián)合采購方對外簽署，技術(shù)轉(zhuǎn)讓合同由國家核電技術(shù)公司代表國家作為受讓方對外簽署。EPC合同由國家核電技術(shù)公司授權(quán)國核工程有限公司與兩個業(yè)主分別簽訂[4]。AP1000依托項(xiàng)目開創(chuàng)了國際能源、技術(shù)合作的典范，中方和外方在同一個組織架構(gòu)下密切合作，為項(xiàng)目成功提供了組織保障(見圖7)。

圖7　AP1000依托項(xiàng)目合同關(guān)系Fig.7　Contractual relations of AP1000 self-reliance program supporting project

2.3　調(diào)試

AP1000依托項(xiàng)目成立了由業(yè)主、西屋公司、國核工程有限公司和常規(guī)島調(diào)試支持單位等共同組成的聯(lián)合調(diào)試隊(duì)，負(fù)責(zé)機(jī)組核島、CI/BOP調(diào)試工作。目前，三門和海陽核電站1號機(jī)組已完成所有裝料前預(yù)運(yùn)行試驗(yàn)階段(包括冷態(tài)功能試驗(yàn)階段和熱態(tài)功能試驗(yàn)階段)的328項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目并發(fā)布試驗(yàn)報告，試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)/設(shè)備性能滿足設(shè)計要求。

冷態(tài)功能試驗(yàn)階段的主要試驗(yàn)項(xiàng)目包括一回路水壓試驗(yàn)、SG二次側(cè)水壓試驗(yàn)、安全殼泄漏率試驗(yàn)、核島系統(tǒng)流道試驗(yàn)、核島系統(tǒng)預(yù)運(yùn)行試驗(yàn)、汽輪機(jī)系統(tǒng)預(yù)運(yùn)行試驗(yàn)、500 kV倒送電試驗(yàn)和PMS系統(tǒng)預(yù)運(yùn)行試驗(yàn)等，共297份試驗(yàn)程序，試驗(yàn)成功驗(yàn)證了系統(tǒng)/設(shè)備在環(huán)境溫度、冷態(tài)水壓試驗(yàn)下的性能滿足設(shè)計要求。

熱態(tài)功能試驗(yàn)階段的主要試驗(yàn)項(xiàng)目包括汽輪機(jī)非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗(yàn)、RCS/RNS振動和熱態(tài)效應(yīng)試驗(yàn)、熱膨脹試驗(yàn)、裝料前主泵冷態(tài)和熱態(tài)功能試驗(yàn)、PRHR HX導(dǎo)熱性能試驗(yàn)、核島系統(tǒng)熱態(tài)功能試驗(yàn)、PMS裝料前RT和ESF響應(yīng)時間回歸測試等，共33份試驗(yàn)程序，驗(yàn)證了系統(tǒng)/設(shè)備在各溫度、壓力平臺下的性能滿足設(shè)計要求。

在裝料前預(yù)運(yùn)行試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)并成功解決了設(shè)計時未能預(yù)見的技術(shù)問題，如ADS-4級管道振動大問題、CA31中子屏蔽塊泄漏問題等。

國家核安全局對兩個項(xiàng)目1號機(jī)組的調(diào)試工作進(jìn)行了嚴(yán)格的過程監(jiān)管，在裝料前預(yù)運(yùn)行試驗(yàn)完成后，組織開展了裝料前安全大檢查，召開在環(huán)境保護(hù)部專家委員會會議，審評確認(rèn)兩個依托項(xiàng)目1號機(jī)組已經(jīng)具備裝料條件。

隨著兩個項(xiàng)目調(diào)試工作開展，形成了一套完善的調(diào)試文件體系和結(jié)果數(shù)據(jù)的分析方法，為后續(xù)機(jī)組調(diào)試工作的順利開展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3　結(jié)論

依托項(xiàng)目建設(shè)成功解決了建造過程中遇到的各種技術(shù)問題，完成了4臺機(jī)組的土建安裝工作，兩個1號機(jī)組裝料前預(yù)運(yùn)行試驗(yàn)已經(jīng)全部完成，完全具備裝料條件。非能動技術(shù)和模塊化施工得到工程驗(yàn)證，非能動專設(shè)安全系統(tǒng)的設(shè)計通過依托項(xiàng)目調(diào)試工作得以驗(yàn)證。

作為AP1000技術(shù)消化吸收的成果，CAP1000標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計已經(jīng)基本完成，CAP1000后續(xù)項(xiàng)目已經(jīng)具備批量化建造的條件，而CAP1400作為自有知識產(chǎn)權(quán)的再創(chuàng)新技術(shù)，其示范工程已經(jīng)具備開工條件。

下一步要全面總結(jié)、反饋AP1000依托項(xiàng)目工程實(shí)施過程中的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步開發(fā)開頂法施工和模塊化建設(shè)的優(yōu)勢，推行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計和主要設(shè)備的國產(chǎn)化，不斷完善建安、調(diào)試管理體系，進(jìn)一步縮短AP系列機(jī)組建造周期和降低工程造價，以進(jìn)一步提升AP系列機(jī)組的競爭力。