微壓供熱堆HAPPY200總體技術(shù)方案

白 寧，陳耀東，沈 峰，孫燦輝，孟召燦，邢 勉，李小生，李連榮

(國家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102209)

目前我國北方城市冬季的集中供暖仍以燃煤鍋爐為主，煤炭燃燒排放出的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和細(xì)顆粒物等是導(dǎo)致大氣嚴(yán)重污染的重要原因之一，由此引發(fā)的霧霾問題近年來也已達(dá)到了令人難以忍受的程度，成為公眾和政府面臨的首要難題[1]。核能作為一種清潔能源，在減少化石能源消耗以及污染物排放等方面的優(yōu)勢十分顯著[2]。因此“以核代煤”實現(xiàn)核能供熱是節(jié)約資源、降低環(huán)境成本的有效措施之一[3]。

核能供熱的歷史最早可追溯至20世紀(jì)60年代，從20世紀(jì)70年代開始，蘇聯(lián)、加拿大、德國、瑞士及法國等進(jìn)行了核供熱堆的研究與開發(fā)[4]，主要分為殼式(壓力、溫度較高)和池式(液柱壓力、溫度低)以及池殼結(jié)合式等[5]。我國于20世紀(jì)80年代開始了對供熱堆的研究，清華大學(xué)20世紀(jì)80年代建成5 MW殼式供熱堆以及中國原子能科學(xué)研究院近期完成的泳池式供熱堆改造工程都是核能供熱的工程樣本。

國家電投集團(tuán)于2015年開始微壓供熱堆HAPPY200的研發(fā)工作。該方案遵循集成成熟技術(shù)、完全非能動安全和高經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計理念，可滿足未來市場的競爭需求。本文對HAPPY200的總體技術(shù)方案進(jìn)行研究。

1 總體技術(shù)方案

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

HAPPY200采用了微壓(一回路運行壓力為0.6 MPa)閉式回路以及完全非能動安全的總體技術(shù)方案。供熱系統(tǒng)通過3個換熱回路將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量輸送到供熱站以實現(xiàn)供熱，3個回路包括反應(yīng)堆主冷卻劑系統(tǒng)(一回路)、增設(shè)的中間換熱回路(二回路)以及與供熱站相連的三回路，其中二回路壓力高于一、三回路，一回路發(fā)生泄漏時可有效隔離放射性物質(zhì)。圖1示出HAPPY200系統(tǒng)原理。

1——堆本體；2——熱管段；3——穩(wěn)壓器Ⅰ； 4——一級換熱器；5——主泵；6——冷管段；7——中間回路；8——穩(wěn)壓器Ⅱ；9——二級換熱器； 10——給水泵；11——熱網(wǎng)；12——安注閥； 13——水池；14——非能動余熱排出系統(tǒng)；15——換熱器；16——空冷器；17——微壓安全殼； 18——自動泄壓系統(tǒng)；19——安全閥；20——水箱圖1 HAPPY200系統(tǒng)原理Fig.1 System schematic of HAPPY200

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

HAPPY200的總體技術(shù)參數(shù)是在考慮了匹配大型城市熱網(wǎng)需求以及滿足遠(yuǎn)距離輸熱等輸熱系統(tǒng)設(shè)計條件的基礎(chǔ)上確定的。HAPPY200主要技術(shù)參數(shù)列于表1。

表1 HAPPY200主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameter of HAPPY200

2 主要系統(tǒng)及設(shè)備

2.1 堆芯及組件方案

HAPPY200的堆芯裝載了37盒(每盒組件燃料棒為17×17布置方式)燃料組件，組件結(jié)構(gòu)和格架形式采用壓水堆截斷型燃料組件，活性段高度為1.4 m，堆芯布置如圖2所示。首循環(huán)所有組件的235U富集度均為4.0%，經(jīng)過4次過渡循環(huán)可達(dá)到平衡循環(huán)，實現(xiàn)18個月?lián)Q料(3個供熱周期)，盡可能地提高核燃料的利用率，降低供熱站的單位能量成本。

圖2 HAPPY200的堆芯(a)及組件(b)布置Fig.2 Core (a) and fuel assembly (b) arrangement of HAPPY200

2.2 堆本體結(jié)構(gòu)方案

供熱堆堆本體由帶底座的壓力容器筒體結(jié)構(gòu)和上部蓋板組成，內(nèi)部包含上部支承板、支承柱、堆芯上板、控制棒導(dǎo)向管、吊籃、圍板、燃料組件、堆芯支承下板、流量分配組件、防斷組件及支承鍵和定位銷等部件，如圖3所示。

圖3 HAPPY200堆本體結(jié)構(gòu)Fig.3 Reactor structure of HAPPY200

2.3 安全系統(tǒng)

HAPPY200的堆本體置于大容積水池的底部，安全系統(tǒng)基于大容積水池進(jìn)行設(shè)計，具備非能動安全特性。安全系統(tǒng)包括非能動余熱排出(PRHR)系統(tǒng)、基于大水池的非能動安全補(bǔ)水系統(tǒng)和非能動池水空冷系統(tǒng)[6]。

1) PRHR系統(tǒng)

HAPPY200采用兩列PRHR系統(tǒng)的換熱器布置在池水中上部，換熱器的兩端分別與一回路冷熱管道相連，正常運行時與主回路隔離。事故或瞬態(tài)時，通過控制信號觸發(fā)熱管段的隔離閥開啟，將堆芯產(chǎn)生的衰變熱導(dǎo)出到池水(中間熱阱)。池水的載熱量很大，經(jīng)過保守分析，在水池完全喪失冷卻(設(shè)有空冷系統(tǒng))的情況下并考慮乏燃料架滿載，可保持池水72 h以上不沸騰。

2) 非能動安全補(bǔ)水系統(tǒng)

HAPPY200在池底設(shè)置多列堆芯應(yīng)急冷卻補(bǔ)水閥組位，并與主管道相連。在破口類事故時依靠池水靜壓頭將池內(nèi)冷卻水注入堆芯，確保堆芯冷卻和淹沒。

3) 非能動池水空冷系統(tǒng)

HAPPY200設(shè)置多列無時限池水空冷換熱器，熱端換熱器置于池水上部環(huán)形空間，與廠房外空冷換熱器通過管道連接，構(gòu)成自然循環(huán)回路。各類事故下，將堆芯熱量通過中間熱阱向最終熱阱傳遞。HAPPY200設(shè)計方案很容易保證大容積水池內(nèi)的水位，因此事故下長時間(無時限)不干預(yù)。正常運行時，該系統(tǒng)也可作為非能動池水冷卻系統(tǒng)。

2.4 安全殼系統(tǒng)

HAPPY200的安全殼按功能可分為水池大廳區(qū)和設(shè)備隔間區(qū)。

設(shè)備隔間區(qū)(圖4)位于地下，內(nèi)部布置有一回路主泵、換熱器等主要設(shè)備。設(shè)備隔間區(qū)是若干位于地面下的密閉空間(容積約為50～100 m3)，設(shè)備隔間區(qū)的設(shè)計使其具備較強(qiáng)的承壓能力(承壓標(biāo)準(zhǔn)為0.6～0.8 MPa)，當(dāng)隔間內(nèi)破口事故發(fā)生時，一回路水會很快充滿隔間內(nèi)的較小的密閉空間，由于一回路瞬時失水量很小，因此不會造成堆芯裸露的情況發(fā)生，隔間區(qū)具有很好的抑制事故后果的作用。

圖4 HAPPY200安全殼原理Fig.4 Containment schematic of HAPPY200

安全殼的大廳區(qū)(圖4)是位于反應(yīng)堆水池上方的大空間，由于低壓的設(shè)計與水池的抑壓作用，系統(tǒng)具有較高的固有安全性。通過對事故下安全殼的響應(yīng)分析，安全殼大廳區(qū)壓力增大非常有限(事故下最大壓升小于0.03 MPa)，不會造成壓力邊界破壞。大廳區(qū)設(shè)計方案為：水池大廳區(qū)容積為1 200 m3，承壓為0.2 MPa[7]。

3 HAPPY200設(shè)計方案分析論證

3.1 熱工水力設(shè)計

HAPPY200的堆芯運行在低壓條件下，其堆芯結(jié)構(gòu)及運行方式與壓水堆相似，但需注意的是，由于運行參數(shù)(壓力、溫度)與傳統(tǒng)壓水堆差異較大，需要對分析計算程序的適應(yīng)性進(jìn)行分析和研究，HAPPY200的設(shè)計團(tuán)隊對此開展了大量工作[8-9]，尤其是針對與反應(yīng)堆安全最為密切的臨界熱流密度(CHF)關(guān)系式建立了新的分析方法[10-13]。

HAPPY200的堆芯熱工參數(shù)列于表2，采用保守的方法得到穩(wěn)態(tài)設(shè)計的最小偏離泡核沸騰比(MDNBR)為4.03，利用燃料程序計算的燃料棒中心峰值溫度為891 ℃，反應(yīng)堆具有足夠的熱工裕量。

表2 HAPPY200堆芯熱工參數(shù)Table 2 Thermal parameter of HAPPY200 core

3.2 安全系統(tǒng)論證分析

相比于現(xiàn)有的成熟大型壓水堆，HAPPY200的運行壓力、溫度及功率密度均較低。燃料芯塊及包殼運行溫度較低，熱工安全裕量大幅提高，因此該反應(yīng)堆固有安全水平較高，設(shè)計時可實現(xiàn)非能動安全。

本工作針對HAPPY200的設(shè)計方案進(jìn)行事故梳理，得到了完整的事故分類與事故清單，并針對事故(包括設(shè)計基準(zhǔn)事故及設(shè)計擴(kuò)展事故)采用最佳估算程序RELAP5和保守的假設(shè)進(jìn)行了分析[14-15]，結(jié)果很好地驗證了HAPPY200安全系統(tǒng)的安全性。部分典型事故(破口類事故和全場斷電(SBO)事故)的分析結(jié)果如下。

1) 池內(nèi)熱管段大破口事故分析

選取事故后果相對嚴(yán)重的池內(nèi)熱管段大破口事故進(jìn)行分析，分析的主要結(jié)果示于圖5～8。

池內(nèi)熱管段大破口事故是指反應(yīng)堆水池內(nèi)的熱管段發(fā)生較大尺寸的破損，該事故是HAPPY200破口類事故序列中較為嚴(yán)重的一種。根據(jù)事故下燃料棒在不同位置的燃料包殼溫度(圖5)所示，反應(yīng)堆發(fā)生破口事故時(100 s時)，燃料包殼溫度隨堆芯極其短暫的失水(圖7)造成很小的溫度波動，但隨微壓系統(tǒng)的瞬間泄壓(圖6)以及大水池的非能動安注功能，堆芯水位瞬時恢復(fù)(圖8)，隨安全棒下落，衰變熱被預(yù)熱排出系統(tǒng)帶出，燃料包殼溫度開始顯著下降，整個過程燃料包殼溫度無明顯提高(最高不超過453 K)，遠(yuǎn)低于壓水堆的安全溫度限值。

圖5 大破口事故下燃料棒在不同位置的燃料包殼溫度Fig.5 Fuel cladding temperature of fuel rod at different locations under LBLOCA

圖6 大破口事故下堆芯的壓力Fig.6 Core pressure under LBLOCA

圖7 大破口事故下破口的流量Fig.7 Break flow rate under LBLOCA

綜上，HAPPY200相比傳統(tǒng)壓水堆，破口類事故后果輕微(堆芯溫度、壓力未見明顯升高)。HAPPY200在各類破口事故下可快速實現(xiàn)堆芯降溫、降壓，依靠靜壓的池水安注系統(tǒng)能保證堆芯處于淹沒狀態(tài)，并實現(xiàn)長期冷卻，確保反應(yīng)堆安全[16]。

圖8 大破口事故下堆芯的塌陷水位Fig.8 Core water level under LBLOCA

2) SBO事故分析

選取超設(shè)計基準(zhǔn)事故中的SBO事故作為HAPPY200安全性評估的重要事故進(jìn)行分析，分析的主要結(jié)果示于圖9～11。

圖9 SBO事故下燃料棒在不同位置的燃料包殼溫度Fig.9 Fuel cladding temperature of fuel rod at different positions under SBO accident

SBO事故發(fā)生后，隨堆芯溫度上升，較大的溫度負(fù)反應(yīng)性對堆芯功率起到很強(qiáng)的抑制作用，堆芯功率迅速下降，余熱排出系統(tǒng)投入后，能建立自然循環(huán)導(dǎo)出堆芯余熱，不會造成堆內(nèi)嚴(yán)重過熱或一回路系統(tǒng)壓力邊界的破壞。由圖9可見，事故發(fā)生時，燃料包殼溫度瞬時有較高升高，隨溫度負(fù)反應(yīng)性的作用，燃料包殼溫度迅速下降，之后隨熱量積累溫度、壓力(圖10)有小幅上升，新的臨界建立后，堆芯進(jìn)入長期冷卻狀態(tài)。整個過程中，燃料包殼溫度最高為475 K，堆芯出口溫度不超過380 K(圖11)，處于高過冷狀態(tài)，遠(yuǎn)低于壓水堆的安全限值。

圖10 SBO事故下堆芯的壓力Fig.10 Core pressure under SBO accident

圖11 SBO事故下堆芯的出口溫度Fig.11 Core outlet temperature under SBO accident

綜上，HAPPY200的安全系統(tǒng)能應(yīng)對SBO等超設(shè)計基準(zhǔn)事故，分析結(jié)果顯示事故后果較壓水堆輕微，不會造成任何放射性后果[17]。

4 結(jié)論

HAPPY200采用基于大容積水池的完全非能動安全技術(shù)，具有非能動安注、非能動余熱排出、事故后可實現(xiàn)長期不干預(yù)等固有安全特性；同時取消了大量專設(shè)安全系統(tǒng)，采用成熟的設(shè)備與技術(shù)、低承壓設(shè)計等進(jìn)一步提高了整個系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

通過對典型事故進(jìn)行初步分析，結(jié)果表明基于大容積水池的非能動安全系統(tǒng)方案安全特性突出，相比傳統(tǒng)壓水堆，HAPPY200事故類型簡單，事故后果輕微，更易實現(xiàn)非能動安全技術(shù)以及排除嚴(yán)重事故風(fēng)險，是具有固有安全和經(jīng)濟(jì)性的核能供熱解決方案。