楊 玨，孫吉良，楊偉國，舒 睿，王 飛

(1.中科華核電技術(shù)研究院有限公司，廣東 深圳 518026; 2.中國廣核集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518026)

按照IAEA的規(guī)定，電功率小于300 MW的反應(yīng)堆被劃分為小型堆(SMR)。小型堆的發(fā)展歷史悠久，核能發(fā)展初期建造的反應(yīng)堆基本均是小型堆，但隨著核電的大規(guī)模發(fā)展，小型堆逐步退出發(fā)展主流。進(jìn)入21世紀(jì)以來，小型堆以安全性高、經(jīng)濟(jì)性好和應(yīng)用靈活性的優(yōu)點，研發(fā)和應(yīng)用又受到了有關(guān)方面關(guān)注。目前國際核能發(fā)達(dá)國家和多數(shù)核能技術(shù)企業(yè)在研發(fā)第三代大型核電機組的同時均積極開展小型堆研發(fā)，如美國西屋公司在AP1000技術(shù)后推出了SMR小型堆技術(shù)、韓國在推進(jìn)APR1400技術(shù)的同時研發(fā)了SMART小型堆、日本三菱的MRX小型堆及俄羅斯浮動式核電站用KLT-40S小型堆。

本文在深入研究小型堆技術(shù)基礎(chǔ)上，提出一種新的陸上多用途小型堆ACPR100[1-3]的概念，其運行壓力為15.5 MPa，冷卻劑平均溫度為310.7 ℃，熱功率為340 MW，并開展堆芯核設(shè)計、子通道熱工水力分析、冷卻劑系統(tǒng)分析、典型事故分析等研究，以完成ACPR100的概念設(shè)計。

1 ACPR100技術(shù)方案

1.1 總體技術(shù)參數(shù)

ACPR100陸上多用途小型堆是中國廣核集團(tuán)提出的新一代小型壓水堆，具有安全性高、模塊化、系統(tǒng)簡化、經(jīng)濟(jì)性好、多用途等特點?？傮w技術(shù)參數(shù)列于表1。

1.2 堆芯方案

ACPR100概念方案借鑒成熟壓水堆堆芯方案，為滿足堆芯功率和尺寸要求，采用成熟短型先進(jìn)燃料組件。

ACPR100堆芯為1/4對稱布置，燃料組件數(shù)為69，每個組件含有呈17×17方形排列的264根燃料棒，24根可放置控制棒、中子源或阻流塞組件的鋯合金導(dǎo)向管和1根鋯合金測量管。為了展平堆芯功率分布，首循環(huán)堆芯燃料按235U富集度分兩區(qū)裝載，富集度為3.65%、4.95%的燃料組件數(shù)分別為21和48。較低富集度的燃料組件按不完全棋盤格式排列在堆芯內(nèi)區(qū)，較高富集度的燃料組件裝在堆芯外圍。堆芯燃料組件裝載示于圖1，燃料棒相關(guān)參數(shù)列于表2。

圖1 堆芯裝載和可燃毒物布置

表2冷態(tài)下的UO2燃料棒及釓參數(shù)

Table2TechnicalparametersofUO2andGdforcoldstate

參數(shù)數(shù)值組件類型17×17成熟短型燃料組件235U富集度,%內(nèi),3.65;外,4.95UO2密度,g/cm310.96芯塊名義制造密度,%95.2(碟形+倒角)體積份額,%1.604燃料芯塊直徑,cm0.819 2包殼外徑,cm0.950包殼厚度,cm0.057Gd2O3理論密度,g/cm38.33Gd2O3含量,%9釓棒中235U富集度,%含4、8、12、16根釓棒的組件為0.71含20、24根釓棒的組件為2.5

反應(yīng)性控制初步采用調(diào)硼和調(diào)棒兩種方案。調(diào)硼方案堆芯活性段(冷態(tài))高度為209.17 cm，調(diào)棒方案堆芯活性段(冷態(tài))高度為156.97 cm。堆芯平均線功率密度調(diào)硼方案為8.923 kW/m，調(diào)棒方案為11.89 kW/m。

1.3 一體化冷卻劑系統(tǒng)

ACPR100陸上小型堆采用一體化布置，將蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器和冷卻劑泵包容到反應(yīng)堆壓力容器中，簡化了反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)，消除了冷卻劑系統(tǒng)內(nèi)的大尺寸管道連接和大量壓力貫穿件，從根本上消除了發(fā)生大破口失水事故的可能性。冷卻劑系統(tǒng)采用強迫循環(huán)，冷卻劑系統(tǒng)包括16臺螺旋盤管式直流蒸汽發(fā)生器、1臺內(nèi)置蒸汽穩(wěn)壓器和4臺冷卻劑泵。蒸汽發(fā)生器選用小盤管式直流蒸汽發(fā)生器，出口蒸汽為過熱蒸汽，穩(wěn)壓器采用標(biāo)準(zhǔn)電加熱棒和標(biāo)準(zhǔn)噴淋系統(tǒng)。冷卻劑系統(tǒng)示于圖2。

圖2 冷卻劑系統(tǒng)示意圖

冷卻劑流動方式為：反應(yīng)堆冷卻劑在堆芯吸收裂變熱后，經(jīng)堆芯上部上升通道進(jìn)入冷卻劑泵，經(jīng)主泵加壓后向下流經(jīng)蒸汽發(fā)生器，將熱量傳給蒸汽發(fā)生器內(nèi)流動的二回路系統(tǒng)給水，使之變?yōu)檎羝?，換熱后的反應(yīng)堆冷卻劑繼續(xù)向下流經(jīng)堆芯外部的環(huán)形下降通道，經(jīng)混流器混合后進(jìn)入下腔室，最后返回堆芯，在壓力容器內(nèi)完成整個冷卻劑循環(huán)流動。

1.4 非能動安全系統(tǒng)

為提高安全性和可靠性，ACPR100陸上多用途小型堆安全系統(tǒng)采用非能動技術(shù)，其系統(tǒng)配置方案如圖3所示，主要包括非能動二次側(cè)應(yīng)急補水箱(SMT)、非能動余熱排出系統(tǒng)(DHRS)、安全殼余熱排出系統(tǒng)(CHRS)。

1) 非能動二次側(cè)應(yīng)急補水箱

堆芯設(shè)有兩臺SMT，置于干井內(nèi)部。SMT出口管線直接連入給水管線，入口管連入蒸汽管線。SMT主要功能是在事故發(fā)生時起到有效的短期緩解作用。在瞬態(tài)事故時，壓力容器內(nèi)部超壓，為了保證安全穩(wěn)壓器開始自動泄壓，高位SMT在重力作用下將水緊急注入蒸汽發(fā)生器，產(chǎn)生的蒸汽通過管道返回SMT，形成閉式循環(huán)。SMT可在事故發(fā)生時提供二次側(cè)流量，通過蒸汽發(fā)生器帶走堆芯熱量，能保證30 min內(nèi)堆芯的持續(xù)冷卻。同時，通過系統(tǒng)的運行，SMT還可為二次側(cè)提供一定量的補給水。

2) 非能動余熱排出系統(tǒng)

事故發(fā)生時，控制棒驅(qū)動機構(gòu)在得到事故信號后自動下落，抑制堆芯反應(yīng)性。蒸汽不再通過主蒸汽管道，而是通過管線連接到安全殼外的噴嘴，蒸汽通過噴嘴進(jìn)入冷水中迅速冷凝，下部冷水通過安全殼外的冷水管線直接進(jìn)入蒸汽發(fā)生器進(jìn)行換熱，移除堆芯熱量，噴嘴處蒸汽強烈的凝結(jié)作用帶來很大的自然驅(qū)動力，可實現(xiàn)長期自然循環(huán)。

3) 安全殼余熱排出系統(tǒng)

事故工況下，蒸汽通過穩(wěn)壓器頂部的閥門進(jìn)入安全殼，依靠鋼制安全殼內(nèi)表面的凝結(jié)以及與下部水面的對流換熱進(jìn)行冷卻，冷凝的液體下降到安全殼下部的液體區(qū)域，并通過地坑循環(huán)閥返回堆芯，實現(xiàn)自然循環(huán)，持續(xù)將堆芯熱量排至安全殼外水池，大氣環(huán)境作為最終熱阱。地下蓄水池水裝量充足，能實現(xiàn)3 d無人工干預(yù)，持續(xù)冷卻堆芯。

圖3 非能動安全系統(tǒng)配置示意圖

1.5 安全殼系統(tǒng)

由于ACPR100采用一體化布置，取消環(huán)路管道，內(nèi)置蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器，所以，壓力容器可放置在一直徑較小的鋼制安全殼結(jié)構(gòu)中，安全殼結(jié)構(gòu)示于圖4。

圖4 安全殼結(jié)構(gòu)

在正常工況下，將鋼制安全殼與壓力容器之間的空氣排出，既可減弱壓力容器對流換熱的熱量損失，又能將空氣排出，避免發(fā)生事故氫爆。另外，安全殼內(nèi)的腐蝕問題也大幅減弱。

在事故工況下，通過鋼制安全殼外部水淹的方式，將安全殼熱量帶入大氣環(huán)境。壓力容器內(nèi)水連通至安全殼，壓力容器較大的水裝量設(shè)計和SMT的水量能保證反應(yīng)堆堆芯淹沒，利用穩(wěn)壓器頂部的泄壓閥和壓力容器底部的地坑循環(huán)閥實現(xiàn)自然循環(huán)，鋼制安全殼配合安全殼外水淹，形成非能動的安全殼冷卻系統(tǒng)，可靠導(dǎo)出安全殼內(nèi)熱量。

2 堆芯物理計算分析

針對ACPR100小型堆，研究了調(diào)硼不倒料、調(diào)硼倒料及調(diào)棒不倒料3種不同的堆芯方案，主要計算結(jié)果列于表3。研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)硼不倒料方案壽期長、卸料燃耗淺，燃料利用率不高；調(diào)硼倒料方案壽期較短、卸料燃耗深，燃料利用率高；調(diào)棒不倒料方案堆芯安全性較差、熱工安全裕量低，計算軟件不成熟，控制棒束較多(69組)，帶來結(jié)構(gòu)材料機械加工方面的問題。綜合來看，調(diào)硼不倒料方案堆芯具有較小的FQ、FZ、FΔH因子，軸向和徑向功率峰較小，熱工安全裕量較高，但反應(yīng)性控制依靠可溶硼，需配備化容系統(tǒng)、反應(yīng)堆硼和水補給系統(tǒng)等一回路輔助系統(tǒng)，系統(tǒng)較為復(fù)雜；調(diào)棒不倒料方案堆芯具有較大的FQ、FZ、FΔH因子，熱工安全裕量較小，但反應(yīng)性控制靠控制棒實現(xiàn)，不需要可溶硼，系統(tǒng)簡化，反應(yīng)堆可適應(yīng)較快的功率變化。

表3 堆芯物理計算結(jié)果

注：1) 調(diào)棒不倒料方案壽期初經(jīng)過不斷優(yōu)化，F(xiàn)ΔH仍為1.9，超出設(shè)計限值，后續(xù)燃耗點計算無意義，故未進(jìn)一步計算

3 堆芯子通道熱工水力計算

根據(jù)物理計算得到的堆芯組件內(nèi)軸向及徑向功率分布情況，利用子通道分析程序?qū)π⌒投讯研炯夹g(shù)方案進(jìn)行初步子通道分析。圖5為1/4堆芯及熱組件子通道劃分，共有69個燃料組件，劃分為43個子通道。

通過子通道計算分析，得到了不同徑向功率因子分布(截余弦函數(shù)分布及實際功率分布)條件下子通道含汽率、冷卻劑溫度和偏離泡核沸騰比(DNBR)沿軸向的變化。圖6為子通道25的DNBR軸向變化。結(jié)果顯示，截余弦功率分布情況下，調(diào)棒不倒料方案最小DNBR為1.247，發(fā)生在子通道25軸向第12網(wǎng)格處，子通道25、16、26傳熱性能最差。調(diào)硼不倒料方案由于活性高度升高，線功率密度降低，不易發(fā)生偏離泡核沸騰，最小DNBR為1.861，發(fā)生在子通道25軸向第16網(wǎng)格處，子通道25、10、2傳熱性能最差。在格架位置處調(diào)棒不倒料方案及調(diào)硼不倒料方案的DNBR均有明顯的躍升，可提高安全性，減小偏離泡核沸騰的風(fēng)險。

圖5 1/4堆芯及熱組件子通道劃分

實際功率分布由于對堆芯功率進(jìn)行了展平，不同于較保守的截余弦函數(shù)功率分布，DNBR有所提高，調(diào)棒不倒料方案和調(diào)硼不倒料方案最小DNBR分別為2.933和3.495，均發(fā)生在子通道4。

圖6 子通道25的DNBR軸向變化

4 系統(tǒng)和典型事故分析

根據(jù)ACPR100一回路參數(shù)、堆芯物理及熱工水力計算結(jié)果，進(jìn)行了ACPR100小型堆初步系統(tǒng)分析研究，對失流事故(LOFA)、失水事故(LOCA)和蒸汽發(fā)生器傳熱管斷裂事故(SGTR)等典型事故進(jìn)行分析。計算軟件采用RELAP5/MOD3.3，模型節(jié)點示意圖如圖7所示。分析結(jié)果表明，陸上小型堆的二次側(cè)非能動應(yīng)急補水箱、二次側(cè)非能動余熱排出系統(tǒng)和安全殼余熱排出系統(tǒng)互相配合，相繼啟動，能持續(xù)有效地冷卻堆芯，且二次側(cè)的低壓設(shè)計使其擁有更高的熱容量，能在事故初期有效導(dǎo)出堆芯熱量。

圖7 ACPR100小型堆RELAP5節(jié)點示意圖

典型LOCA事故分析瞬態(tài)計算時間序列列于表4。

瞬態(tài)計算結(jié)果示于圖8，瞬態(tài)計算時間持續(xù)3 000 s。

表4 LOCA計算時間序列

圖8 瞬態(tài)計算結(jié)果

5 結(jié)論

ACPR100陸上多用途小型堆采用一體化冷卻劑系統(tǒng)，體積小、占地少，并在根本上消除了發(fā)生大破口失水事故的可能性；模塊化設(shè)計可實現(xiàn)電廠總功率的范圍擴(kuò)展，滿足不同電網(wǎng)用戶多樣化的需求；采用非能動安全系統(tǒng)SMT、DHRS、CHRS，大幅提高了反應(yīng)堆的安全性，廠外應(yīng)急極小化。綜上所述，ACPR100小型堆具有安全性高、模塊化、系統(tǒng)簡化、經(jīng)濟(jì)性好、多用途等特點，具有廣闊的市場應(yīng)用前景，是一種合理可行的模塊化小型反應(yīng)堆方案。

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