液體懸浮式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)技術(shù)成熟度評(píng)估研究

楊曉燕 王明政 顏寒 劉一哲 胡文軍

【摘 要】技術(shù)成熟度是技術(shù)狀態(tài)的呈現(xiàn)，對(duì)于工程項(xiàng)目，應(yīng)盡可能采用成熟技術(shù)，因此，技術(shù)成熟度的評(píng)估非常重要。鈉冷快堆是第四代核能系統(tǒng)的重要選擇之一，我國(guó)已完成實(shí)驗(yàn)堆的建造，正在進(jìn)行示范快堆的設(shè)計(jì)。非能動(dòng)停堆技術(shù)作為一種非能動(dòng)的反應(yīng)性控制方式，有利于提高反應(yīng)堆安全性，是國(guó)際鈉冷快堆的重要技術(shù)選擇，但其技術(shù)發(fā)展尚未成熟。在我國(guó)示范快堆的設(shè)計(jì)中，擬采用液體懸浮式的非能動(dòng)停堆系統(tǒng)。本文對(duì)技術(shù)成熟度評(píng)估方法進(jìn)行研究，并結(jié)合非能動(dòng)停堆現(xiàn)象的特點(diǎn)，提出了可用于其非能動(dòng)特性技術(shù)成熟度評(píng)估的具體方法，并在此基礎(chǔ)上對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)成熟度的評(píng)估，結(jié)果表明目前我國(guó)的非能動(dòng)停堆系統(tǒng)尚未成熟但隨著一些專項(xiàng)試驗(yàn)的開展其成熟度將得到較大提升。

【關(guān)鍵詞】池式鈉冷快堆；非能動(dòng)停堆；技術(shù)成熟度

中圖分類號(hào)： TL425 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）16-0006-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.003

【Abstract】The Technology Readiness （TR） indicates the status of the technology.The Technology Readiness Assessment （TRA） is important because mature technology is always required for engineering project.As a key option of generation IV nuclear system，sodium cooled fast reactor is well developed in China，the China Experimental Fast Reactor （CEFR） has already been constructed and the demonstration fast reactor is under design now.As an important way for reactivity control，the passive shutdown which is a good solution for reactor safety is significant technology candidate for all fast reactor countries.Hydraulic suspended passive shutdown system is considered in demonstration fast reactor design. The research of TRA methodology is carried out in this article taken into consideration of passive shutdown phenomena， and then applied to the passive shutdown system of demonstration fast reactor.The result shows that the TR of hydraulic suspended shutdown system in China is not mature enough but there will be a big improvement after all the special tests.

【Key words】Pool type sodium-cooled fast reactor；Passive shutdown；Technology Readiness Assessment

0 背景

鈉冷快堆是第四代核能系統(tǒng)中的重要堆型之一，我國(guó)快堆已經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，第一座試驗(yàn)快堆中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆CEFR（China Experimental Fast Reactor）于2010年7月達(dá)到首次臨界，并與之后進(jìn)行了一系列調(diào)試試驗(yàn)。

我國(guó)快堆發(fā)展采用三步走戰(zhàn)略：實(shí)驗(yàn)堆-示范堆-商用堆。目前，600MW示范快堆正處于設(shè)計(jì)中。

二代以后核電廠的關(guān)鍵安全設(shè)計(jì)原則之一為：設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)化，通俗易懂。盡可能采用利用自然規(guī)律的非能動(dòng)方式來(lái)取代復(fù)雜的、由外來(lái)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的安全系統(tǒng)，簡(jiǎn)化以前所必須的復(fù)雜運(yùn)行操作，減少或者消除依靠重新聯(lián)結(jié)切換才能完成安全功能的操作，減少對(duì)外來(lái)動(dòng)力的依賴、對(duì)運(yùn)行操作人員干預(yù)的要求，增強(qiáng)機(jī)組固有的、自身的安全性能。因此，開展了許多非能動(dòng)技術(shù)的研究。

反應(yīng)性控制為核電廠的三大安全功能之一，作為控制反應(yīng)性以提高核電廠安全性的重要手段之一，國(guó)內(nèi)外均對(duì)非能動(dòng)停堆技術(shù)開展了相應(yīng)的研究。非能動(dòng)停堆技術(shù)也是第四代核能系統(tǒng)論壇GIF在安全性方面的重要研究議題之一。

可實(shí)現(xiàn)非能動(dòng)停堆的原理有多種，研究?jī)?nèi)容各不相同，各有側(cè)重點(diǎn)。按照設(shè)計(jì)原理歸納，目前國(guó)際上較多且技術(shù)相對(duì)成熟的非能動(dòng)停堆系統(tǒng)主要包括基于居里點(diǎn)合金溫度控制的非能動(dòng)停堆系統(tǒng)、液體懸浮的非能動(dòng)停堆系統(tǒng)、氣體膨脹驅(qū)動(dòng)裝置和控制棒熱膨脹強(qiáng)化驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。

技術(shù)成熟度是技術(shù)狀態(tài)的呈現(xiàn)，對(duì)于工程項(xiàng)目，應(yīng)盡可能采用成熟技術(shù)。進(jìn)行技術(shù)成熟度的評(píng)估，可以對(duì)技術(shù)的狀態(tài)進(jìn)行判斷，進(jìn)而可識(shí)別其中的風(fēng)險(xiǎn)。技術(shù)成熟度最早由美國(guó)航空航天局（NASA）提出，隨后國(guó)內(nèi)外均對(duì)此開展了廣泛的研究。

在我國(guó)示范快堆的設(shè)計(jì)中，擬采用液體懸浮式的非能動(dòng)停堆系統(tǒng)，因此，對(duì)其進(jìn)行技術(shù)成熟度的評(píng)估，識(shí)別其中的關(guān)鍵問(wèn)題，有助于對(duì)其開展針對(duì)性的試驗(yàn)工作及其后續(xù)在示范快堆工程中的應(yīng)用。

1 液體懸浮式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 工作原理

非能動(dòng)停堆系統(tǒng)地設(shè)計(jì)原則為：在事故或者緊急、異常工況下，即使反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)不能正常投入工作，核反應(yīng)堆也能在反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)的作用下安全停閉，而且冷卻劑的最高溫度不超過(guò)限值。

對(duì)于液體懸浮的非能動(dòng)停堆系統(tǒng)，其工作原理為：在正常運(yùn)行工況下，控制棒移動(dòng)體在鈉中受到的向上的水力推力大于其在鈉中的重力，從而懸浮在上工作位置；在發(fā)生失流事故時(shí)，當(dāng)堆芯流量減少到一定程度，重力大于水力推力，移動(dòng)體開始下降，降至最低位置，實(shí)現(xiàn)停堆功能。液體懸浮式的控制棒對(duì)于冷卻劑的流量變化非常敏感，其流量的穩(wěn)定性決定了該停堆系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

1.2 系統(tǒng)組成

液體懸浮式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)由碳化硼吸收棒、導(dǎo)管和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。其組件外形與堆芯其他組件的外形完全一樣，相對(duì)于常規(guī)安全棒，只是內(nèi)部流道發(fā)生了改變，移動(dòng)體的行程、移動(dòng)體的長(zhǎng)度、移動(dòng)體與周圍壁面的間隙都基本保持不變。另外如上所述，液體懸浮式的控制棒對(duì)于冷卻劑的流量變化非常敏感，其流量的穩(wěn)定性決定了該停堆系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

液體懸浮式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

2 技術(shù)成熟度評(píng)估

技術(shù)成熟度，是指技術(shù)相對(duì)于某個(gè)具體系統(tǒng)或項(xiàng)目而言所處的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，它反映了技術(shù)對(duì)于預(yù)期目標(biāo)的滿足程度。技術(shù)成熟度等級(jí)是指對(duì)技術(shù)成熟程度進(jìn)行度量和評(píng)測(cè)的一種標(biāo)準(zhǔn)[1]。

技術(shù)成熟度等級(jí)最早由美國(guó)航空航天局（NASA）于1989年提出，隨后又經(jīng)過(guò)一系列的發(fā)展，形成了目前廣泛使用的9級(jí)的技術(shù)成熟度等級(jí)?；贜ASA的9級(jí)技術(shù)成熟度等級(jí)劃分，國(guó)內(nèi)外眾多行業(yè)均開展了廣泛的研究以及應(yīng)用工作，包括航空、車輛、武器裝備以及電站等。

2.1 示范快堆實(shí)踐

在目前的示范快堆研究和設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)需研發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備及系統(tǒng)等（主要為設(shè)備），對(duì)技術(shù)成熟度進(jìn)行了一定的研究，確定了成熟度等級(jí)劃分及其相關(guān)要素，并出版《概念設(shè)計(jì)階段的技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)導(dǎo)則》[2]。

根據(jù)《概念設(shè)計(jì)階段的技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)導(dǎo)則》，成熟度可分為9個(gè)等級(jí)，如表1所示。

表1中的成熟度等級(jí)劃分在確定示范快堆研發(fā)設(shè)備的成熟度等級(jí)、輔助識(shí)別其研發(fā)重點(diǎn)的過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用。

2.2 非能動(dòng)特性的技術(shù)成熟度評(píng)估方法

本文中成熟度評(píng)估的重要目的之一是對(duì)評(píng)估對(duì)象可靠、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)其功能所需的條件進(jìn)行分析判斷。在考察非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的功能和可靠性時(shí)，除其設(shè)備和部件的設(shè)計(jì)和制造因素外，主要從事故分析中的響應(yīng)時(shí)間和卡棒率兩方面進(jìn)行考慮。該系統(tǒng)在對(duì)事故的響應(yīng)中，液體懸浮式的控制棒對(duì)于冷卻劑的流量變化非常敏感，其流量的穩(wěn)定性決定了該停堆系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

因此，在該系統(tǒng)的成熟度評(píng)估中，除主要的物理設(shè)備和部件外，應(yīng)將該系統(tǒng)所依賴的非能動(dòng)特性也作為重要的影響因素。

成熟度評(píng)估將圍繞所評(píng)估對(duì)象對(duì)于所需執(zhí)行的功能的實(shí)現(xiàn)開展，主要評(píng)估因素包括技術(shù)載體和環(huán)境，技術(shù)載體即評(píng)估對(duì)象，環(huán)境是技術(shù)載體執(zhí)行其功能時(shí)的外部條件。根據(jù)液體懸浮式非能動(dòng)停堆的工作原理，該系統(tǒng)所依賴的非能動(dòng)特性與其在執(zhí)行功能時(shí)的熱工流體環(huán)境密切相關(guān)，因此，對(duì)非能動(dòng)特性的技術(shù)成熟度考慮，應(yīng)著重關(guān)注其環(huán)境。

根據(jù)示范快堆對(duì)SSCs的成熟度等級(jí)的劃分，其對(duì)于環(huán)境的劃分，可分為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、模擬環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境。

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境指一個(gè)受控的環(huán)境，人們能夠在此環(huán)境中適當(dāng)?shù)亓炕摷夹g(shù)的效果。通常在環(huán)境下驗(yàn)證技術(shù)和功能的基本原理，但該環(huán)境不能代表該技術(shù)在實(shí)際使用中遇到的真實(shí)運(yùn)行環(huán)境。對(duì)于涉鈉的設(shè)備，由于水和鈉在一定程度上具有較為相似的水力特性，在研發(fā)過(guò)程中通常會(huì)進(jìn)行水臺(tái)架等試驗(yàn)，水臺(tái)架即可視為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

模擬環(huán)境要求在各方面都盡可能地近似真實(shí)運(yùn)行環(huán)境，它模擬了真實(shí)運(yùn)行環(huán)境中的某型關(guān)鍵因素，模擬結(jié)果可外推至真實(shí)運(yùn)行環(huán)境。該環(huán)境與真實(shí)環(huán)境相比，并不需用具有相同的介質(zhì)、溫度或壓力，但是應(yīng)該接近；不需要相同的流體介質(zhì)，但在熱工流體特性、腐蝕或者反應(yīng)方面應(yīng)該相似。對(duì)于涉鈉設(shè)備，在完成水臺(tái)架試驗(yàn)后，通常會(huì)進(jìn)一步在鈉臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)，鈉臺(tái)架會(huì)盡可能模擬其在反應(yīng)堆內(nèi)的真實(shí)運(yùn)行環(huán)境，可視為模擬環(huán)境。

運(yùn)行環(huán)境指核電廠運(yùn)行時(shí)SSCs所處的真實(shí)環(huán)境。包括：運(yùn)行狀態(tài)下的流體介質(zhì)、預(yù)期的溫度和壓力（穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)）；事故工況下各設(shè)計(jì)基準(zhǔn)要求的流體介質(zhì)、溫度和壓力（事故）。

綜上所述，示范快堆研發(fā)所確定的成熟度等級(jí)中的環(huán)境劃分適用于液體懸浮式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)中其非能動(dòng)特性研究所需的環(huán)境劃分，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行非能動(dòng)特性成熟度的劃分。

由于非能動(dòng)特性主要與環(huán)境條件相關(guān)，因此，以環(huán)境條件作為其成熟度評(píng)估的依據(jù)，而對(duì)于其非能動(dòng)特性的具體表達(dá)，可以用模型進(jìn)行表征，如是否進(jìn)行了關(guān)鍵影響因素的識(shí)別、是否進(jìn)行了影響因素的完整識(shí)別及是否確定了影響因素的具體影響程度等。非能動(dòng)特性技術(shù)成熟度的等級(jí)劃分具體如表2所示。

2.3 液體懸浮式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)評(píng)估

本文中的技術(shù)載體為非能動(dòng)停堆系統(tǒng)及其關(guān)鍵設(shè)備，可參考示范快堆將其分為實(shí)驗(yàn)室規(guī)模、演示規(guī)模、原型規(guī)模、工程規(guī)模和產(chǎn)品等不同的階段。

如2.2節(jié)所述，非能動(dòng)停堆系統(tǒng)中的主要設(shè)備或部件包括碳化硼吸收棒、導(dǎo)管和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，而其功能的執(zhí)行又與其非能特性密切相關(guān)。因此，本系統(tǒng)的成熟度評(píng)估主要分為兩部分：

（1）常規(guī)設(shè)備或部件評(píng)估

本系統(tǒng)中的常規(guī)設(shè)備或部件包括碳化硼吸收棒、導(dǎo)管和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，從執(zhí)行功能的環(huán)境、材料、結(jié)構(gòu)等方面，與常規(guī)的安全棒設(shè)計(jì)差別不大。目前的研究和設(shè)計(jì)表明，其組件外形與堆芯其他組件的外形完全一樣，相對(duì)于常規(guī)安全棒，只是內(nèi)部流道發(fā)生了改變，移動(dòng)體的行程、移動(dòng)體的長(zhǎng)度、移動(dòng)體與周圍壁面的間隙都基本保持不變。

常規(guī)設(shè)備或部件涉及到多專業(yè)的技術(shù)，包括材料和機(jī)械制造等，都會(huì)對(duì)其技術(shù)成熟度帶來(lái)影響，例如，池式鈉冷快堆為高溫低壓的鈉環(huán)境，在該高溫鈉環(huán)境下，設(shè)備的變形會(huì)直接影響其功能的執(zhí)行。

根據(jù)表1中的成熟度等級(jí)劃分，考慮國(guó)際的技術(shù)水平，俄羅斯在反應(yīng)堆BR10，BN350，BN600都有實(shí)堆試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，BN800的懸浮式非能動(dòng)棒已完成堆外水力實(shí)驗(yàn)，且已開展實(shí)驗(yàn)次數(shù)達(dá)到154次，本系統(tǒng)中的常規(guī)設(shè)備或部件的國(guó)際成熟度水平應(yīng)為8級(jí)。

根據(jù)成熟度等級(jí)表，考慮國(guó)內(nèi)的技術(shù)水平，在CEFR的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，我國(guó)已在控制棒的設(shè)計(jì)制造方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，而非能動(dòng)系統(tǒng)中該部分與常規(guī)的安全棒差異不大，可以對(duì)常規(guī)的安全棒設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行充分借鑒，但由于缺乏對(duì)應(yīng)的實(shí)堆經(jīng)驗(yàn)以及具體反應(yīng)堆設(shè)計(jì)參數(shù)的不同，因此依據(jù)國(guó)內(nèi)技術(shù)水平將本系統(tǒng)中的常規(guī)設(shè)備或部件成熟度等級(jí)確定為7級(jí)。

該系統(tǒng)中的常規(guī)設(shè)備和部件的詳細(xì)成熟度評(píng)估應(yīng)對(duì)其涉及的技術(shù)進(jìn)行全面細(xì)致的評(píng)估，在本文中不對(duì)此進(jìn)行展開，僅依據(jù)目前的國(guó)內(nèi)外實(shí)踐進(jìn)行整體性的評(píng)估。

（2）非能動(dòng)特性評(píng)估

如上所述，該系統(tǒng)功能的執(zhí)行與其非能動(dòng)特性密切相關(guān)，而其非能動(dòng)特性主要依賴于工作環(huán)境。

根據(jù)表2中的非能動(dòng)特性的等級(jí)劃分，考慮國(guó)際的技術(shù)水平，主要是俄羅斯的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，其已開展了實(shí)堆試驗(yàn)，已確定了非能動(dòng)現(xiàn)象的完整模型，其相關(guān)的技術(shù)成熟度水平應(yīng)為D級(jí)。

對(duì)于國(guó)內(nèi)液體懸浮式非能動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)水平，目前的研發(fā)狀態(tài)為：

a）開展了前期的設(shè)計(jì)研究；

b）開展了一定的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境驗(yàn)證；

c）針對(duì)示范快堆的需求開展了工程設(shè)計(jì)研究，并設(shè)置了相應(yīng)的試驗(yàn)項(xiàng)目，擬于設(shè)計(jì)完成后開展試驗(yàn)驗(yàn)證。

根據(jù)表2中的非能動(dòng)特性的等級(jí)劃分，其成熟度水平等級(jí)應(yīng)為B，建立了基本的理論模型，建立了基本的模型并確定了模型中關(guān)鍵參數(shù)的范圍。綜合以上評(píng)估，如采用9級(jí)成熟度的等級(jí)劃分，國(guó)際上液體懸浮式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的成熟度等級(jí)應(yīng)為8級(jí)，主要是俄羅斯的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)；國(guó)內(nèi)液體懸浮式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)的成熟度應(yīng)為4級(jí)，主要是由于對(duì)非能動(dòng)現(xiàn)象的模型尚未完整建立，而非能動(dòng)特性則直接影響該系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論

通過(guò)本文中所開展的技術(shù)成熟度評(píng)估工作可知：

（1）對(duì)非能動(dòng)特性的評(píng)估應(yīng)在常規(guī)設(shè)備技術(shù)成熟度評(píng)估方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的改進(jìn)，本文中在示范快堆現(xiàn)有技術(shù)成熟度評(píng)估的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)液體懸浮式非能動(dòng)停堆方式的具體工作原理，提出了可用于評(píng)估其非能動(dòng)特性的具體評(píng)估方法，可為后續(xù)其他非能動(dòng)特性的評(píng)估提供參考；

（2）目前國(guó)內(nèi)的液體懸浮式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)在非能動(dòng)現(xiàn)象的完整模型建立方面尚需開展一定的工作，其現(xiàn)有成熟度等級(jí)較低，但隨著示范快堆相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目的開展，其成熟度等級(jí)將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)有較大的提升，尤其是應(yīng)開展其在模擬環(huán)境下（如鈉臺(tái)架）的驗(yàn)證試驗(yàn)。

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