張國旭，解 衡，謝 菲

（清華大學 核能與新能源技術(shù)研究院，先進核能技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，先進反應堆工程與安全教育部重點實驗室，北京 100084）

根據(jù)IAEA 早期定義，SMR 指中小型反應堆（small and medium sized reactor），但隨著人們對小型堆（電功率小于或等于300 MWe）研究熱情的增長，SMR 作為小型模塊堆的釋義被普遍接受，即：small modular reactor。SMR 作為先進型反應堆，最突出的優(yōu)點在于其安全性與多用途性。在安全性方面，SMR 通過加強固有安全性設(shè)計并更多地引入非能動概念，來強化反應堆的安全特性。在多用途性方面，SMR憑借其較小的發(fā)電功率、較高的安全特性和清潔性等優(yōu)點，不僅可成為傳統(tǒng)化石燃料電站的替代選擇，同時也可在海水淡化、工業(yè)制氫、工業(yè)供汽、城市供暖等非傳統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)揮作用［1］。

目前，小型堆的研究堆型涵蓋有輕水反應堆（LWR）、重水反應堆（HWR）、氣冷反應堆（GCR）以及液態(tài)金屬冷卻反應堆（LMCR）。在眾多堆型當中，由于輕水反應堆在核能利用領(lǐng)域有多年的研究與設(shè)計經(jīng)驗，相較于其他堆型，技術(shù)較為成熟，實現(xiàn)難度低，因此成為了設(shè)計的主流［2］。一體化壓水SMR 正是在改進傳統(tǒng)壓水堆設(shè)計的基礎(chǔ)上提出的先進型方案，美國、韓國、阿根廷、中國等在相關(guān)研究方面都取得了一定成績，提出了多個較成熟的設(shè)計方案。

本文將主要對mPower、NuScale、W-SMR、IRIS、SMART等5個SMR方案進行介紹，通過橫向?qū)Ρ?，指出SMR 與大型壓水堆的設(shè)計異同及相關(guān)設(shè)計改進，總結(jié)小型堆設(shè)計特點。本文通過對幾種小型堆設(shè)計方案的對比分析，總結(jié)其設(shè)計經(jīng)驗，為今后我國自主設(shè)計先進型小堆提供參考與借鑒。

1 SMR堆型介紹

先進型輕水SMR 是新型小堆的重要代表，它們參考已成熟的陸上或船用核能技術(shù)，通過采用一體化設(shè)計、以強化非能動安全特性等方式，改進原有設(shè)計方案，提高了反應堆的安全性。

本文關(guān)注的5個堆型均屬于先進型SMR方案，它們在設(shè)計上的一系列改進代表了當前小型堆的探索方向，其中一些較成熟的設(shè)計方案更是具有極大的市場應用前景。圖1為不同方案壓力容器部分切面圖。表1列出了5個堆型及AP1000的設(shè)計參數(shù)［3］比較。

1.1 mPower

圖1 先進小型堆壓力容器剖面圖Fig.1 Cutaway of advanced SMR pressure vessel

表1 一回路整體設(shè)計比較Table 1 Comparison on design of primary circuit

mPower是美國能源公司Babcock&Wilcox所設(shè)計的SMR 堆型，由于該公司具有多年船用及陸地反應堆設(shè)計經(jīng)驗，方案一經(jīng)提出就備受關(guān)注。該方案主要參考Otto Hahn 商船反應堆設(shè)計［7］，并在原有設(shè)計基礎(chǔ)上在功率輸出、內(nèi)置控制棒驅(qū)動機構(gòu)（CRDM）、非能動安全設(shè)施等方面進行設(shè)計改進。反應堆設(shè)計過程中還注意充分采用現(xiàn)有的成熟設(shè)備與技術(shù)，因此其設(shè)計有效性驗證難度要低于其他全新概念的SMR 堆型。mPower也因此被外界普遍認定為最可能率先投入商業(yè)運行的SMR 堆型。2012年11月，mPower成為了第1個獲得美國能源部頒發(fā)的用于促進小堆研究工作專項資金支持的SMR 方案，這極大肯定了其在小型堆研究中的地位。

1.2 NuScale

NuScale由NuScale電力公司依托俄勒岡州立大學在原MASLWR（multi-application small light water reactor）設(shè)計基礎(chǔ)上改進完成［8］。其設(shè)計輸出電功率僅為45 MWe，可根據(jù)需要，選擇不同數(shù)量的模塊組合以擴展電站發(fā)電規(guī)模。NuScale設(shè)計有足夠強的自然循環(huán)能力，全功率下完全依靠自然循環(huán)載出堆芯熱量，這使得反應堆得以取消主泵，整體設(shè)計大為簡化。NuScale采用緊貼式鋼制安全殼，體量較小，整個反應堆模塊可實現(xiàn)整體場外制造，通過陸路或水運均可運輸，到現(xiàn)場組裝，這大為縮減電站建設(shè)周期，同時增加核電站建設(shè)的靈活性。其安全殼置于大水池中，在事故工況下，大水池充當最終熱阱，吸收堆芯余熱。NuScale的整體設(shè)計在小型堆各方案中獨具特色，最為簡單直接。2013年底，NuScale 成為了第2個獲得美國能源部資金支持的SMR 項目。這極大推動了NuScale的研究工作。

1.3 W-SMR

2011年2 月西屋公司正式公布自己的SMR 堆 型 設(shè) 計 方 案［1］。W-SMR 采 用 一 體 化設(shè)計，安全殼直徑不超過10 m，與NuScale一樣，整體置于大水池中，水池充當反應堆長期冷卻最終熱阱。在安全設(shè)計方面，西屋公司總結(jié)AP1000 的非能動設(shè)計經(jīng)驗，并將其運用到SMR設(shè)計當中，使得W-SMR 的安全設(shè)施設(shè)計與AP1000有諸多相似之處，可完全依靠非能動設(shè)計保證安全。西屋公司具有多年的反應堆設(shè)計運行經(jīng)驗，雖然兩輪在美國能源部資金競爭中失利，其推出的SMR 堆型依然廣受業(yè)內(nèi)關(guān)注。

1.4 IRIS

IRIS（international reactor innovative and secure）是一體化模塊式中等功率壓水反應堆，其電功率為335 MWe［5］。2001 年，由西屋公司主導、來自9個國家、超過20個機構(gòu)組成的國際委員會完成了該反應堆的初步設(shè)計。該設(shè)計以成熟的輕水堆技術(shù)為基礎(chǔ)，充分利用西屋公司AP600壓水堆技術(shù)和其他先進輕水堆核電站的設(shè)計成果，具有較好的可行性。IRIS也采用一體化壓力容器設(shè)計，具有內(nèi)置穩(wěn)壓空間，能很好地吸收功率瞬變，實現(xiàn)自穩(wěn)壓。其球形安全殼的設(shè)計最具特點，在事故情況下可承受更大的壓力。LOCA 發(fā)生后，依靠抑壓水池的作用使壓力容器與安全殼間的壓力迅速平衡，能抑制壓力容器內(nèi)冷卻劑流失速率。雖然IRIS的研究工作已基本結(jié)束，但作為最早成型的先進型小堆設(shè)計方案之一，其方案設(shè)計在很多方面具有先進型小堆的典型特征，因此仍值得關(guān)注。

1.5 SMART

SMART（system integrated modular advanced reactor）是由韓國原子能研究院自20世紀90年代開始研究的小型模塊化反應堆，該反應堆設(shè)計之初就考慮到多用途性，在發(fā)電的同時還可用于海水淡化和城市供熱［9］。目前，SMART 的標準設(shè)計已通過韓國核安全委員會的審批，已具備小型堆出口能力。該堆型是在傳統(tǒng)回路式反應堆基礎(chǔ)上改進的設(shè)計，方案幾經(jīng)較大改動，最新設(shè)計采用一體化方案，并增加非能動安全特征。雖然其標準設(shè)計已通過審批，但設(shè)計方仍不斷提出改進設(shè)計，下一步目標是設(shè)計內(nèi)置式控制棒驅(qū)動機構(gòu)，并采用無硼堆芯。

2 先進型小堆設(shè)計思想

先進型SMR 方案眾多，然而，在比較不同的方案設(shè)計時發(fā)現(xiàn)，不同堆型存在一系列相似的設(shè)計改進。這就使得小型堆具有典型的設(shè)計特點。

1）遵循設(shè)計保障安全思想

通過對幾種堆型設(shè)計方案的比較，可看出，設(shè)計者首先考慮“設(shè)計保障安全”，即“safetyby-design［5］”的思想。這種思想考慮，在設(shè)計階段就將某些事故的誘發(fā)因素消除，即使不能避免某些事故的發(fā)生，也盡量使發(fā)生的概率降低，同時減小事故造成的危害。因此產(chǎn)生了一體化設(shè)計，消除了大破口事故；內(nèi)置CRDM（控制棒驅(qū)動結(jié)構(gòu)），從而消除了彈棒事故。為減少硼濃度對反應堆安全的影響，SMART 的設(shè)計單位正在試圖優(yōu)化設(shè)計，以實現(xiàn)無硼堆芯?？煽闯?，當前的小堆設(shè)計思路是針對潛在安全隱患，不斷改進設(shè)計。

2）強化固有安全性

在SMR 的設(shè)計過程中，強化了固有安全設(shè)計，通過優(yōu)化設(shè)計及加強非能動設(shè)計，使SMR 獲得更高的安全性，確保反應堆不發(fā)生堆芯熔毀等極限事故。

SMR 通過優(yōu)化設(shè)計強化了反應堆的固有安全性。首先表現(xiàn)在，小堆通過設(shè)計改進消除了大型壓水堆中可能出現(xiàn)的一些事故；其次，壓力容器高度的增加，提高冷熱芯高差，使反應堆具有較高的自然循環(huán)能力，以減輕失流事故造成的危害；再次，壓力容器部分較大的水裝量設(shè)計更是使反應堆能在外界安注或余熱排出能力不足的情況下，維持較長時間的堆芯淹沒。

非能動設(shè)計是保障小堆固有安全性的另一方面。相較于大型反應堆，SMR 具有較小的功率，事故工況下所需排出的余熱量同比例減小，因此，對余熱排出系統(tǒng)所承擔的散熱要求降低。這不僅使余熱排出系統(tǒng)設(shè)計上大為簡化，也使完全依靠非能動實現(xiàn)余熱排出成為可能。

3）經(jīng)濟性考慮

為實現(xiàn)小型堆的商業(yè)運營，就一定要考慮經(jīng)濟成本的問題，一些小型堆采用了多用途的方式來增加經(jīng)濟性，如SMART 在供電的同時進行海水淡化。從目前的研究資料看，小堆在單位供電成本上要高于大型電站［4］。為真正促成小堆的商業(yè)運營，除了通過特殊的市場需求定位，小堆還通過其他方式，盡可能提高其市場競爭力。比較通常的做法是，簡化整體設(shè)計，并利用小堆固有安全性高的特點，去除不必要的系統(tǒng)布置，從而節(jié)約投入成本。另外，在建設(shè)小型模塊堆時，可先在工廠完成各部分的模塊化制造，再通過陸路或水路運到現(xiàn)場，組裝并調(diào)試運行。這將極大縮短核電站的建造時間，降低了成本［10］。

總體來講，較高的安全等級以及良好的經(jīng)濟性是先進型SMR所普遍追求的目標。一體化壓水SMR目標定位為早日實現(xiàn)商業(yè)運營，其總體設(shè)計上更是嚴格遵循安全與經(jīng)濟的雙重標準。

3 先進型小堆主要部件設(shè)計改進

根據(jù)“設(shè)計保障安全”的思想，小型堆在設(shè)計之初就在傳統(tǒng)壓水堆基礎(chǔ)上，針對潛在的安全隱患來改進設(shè)計，從而獲得更好的安全性。本文主要關(guān)注壓力容器及其內(nèi)部部件設(shè)計改進，這部分的改進最能體現(xiàn)小型堆“設(shè)計保障安全”的思想。在眾多先進型小堆方案中，對于壓力容器及其內(nèi)部部件的改進設(shè)計幾乎采取相同方式，這儼然已成為小型堆的典型設(shè)計特征。

3.1 壓力容器一體化模塊設(shè)計

傳統(tǒng)壓水堆蒸汽發(fā)生器與壓力容器相連接的主管道直徑較大，通常為80～90cm，存在管道破裂而造成冷卻劑喪失事故的大破口事故可能性，為徹底消除大破口事故的發(fā)生，小型堆普遍采用一體化設(shè)計，將蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器等布置在同一壓力容器內(nèi)，這樣可使壓力容器最大開口直徑降至5～7cm［2］。

一體化模塊設(shè)計使得反應堆整體較傳統(tǒng)分散設(shè)計所占空間減小，反應堆主體部分可實現(xiàn)場外制造，利用水運甚至陸運，運輸?shù)綇S址所在地，現(xiàn)場安裝。這種設(shè)計大為方便整堆出口的同時，更縮短電廠建設(shè)時間。SMR 功率較小，可根據(jù)需求，靈活選擇建造模塊數(shù)量。雖然目前單從成本分析來看，小堆電廠單位發(fā)電成本較傳統(tǒng)大型反應堆高，但通過在同一廠址建設(shè)多個模塊，可獲得一定的規(guī)模效益，有效提高小堆的經(jīng)濟性。

一體化模塊設(shè)計是小堆設(shè)計時從經(jīng)濟性及安全性出發(fā)的重要選擇，改善小堆經(jīng)濟性的同時增強了其安全性。

3.2 穩(wěn)壓器

幾種SMR 堆型均取消獨立穩(wěn)壓器，采用帶孔隔板將壓力容器上部空間與主冷卻劑隔離，形成穩(wěn)壓空間。由于一體化反應堆設(shè)計具有相對較大的穩(wěn)壓空間，依靠冷卻劑的蒸發(fā)與冷凝，從而實現(xiàn)了一定程度的自穩(wěn)壓能力，同時穩(wěn)壓空間通常設(shè)置有加熱裝置，輔助穩(wěn)壓，有效調(diào)節(jié)主回路壓力變化。

3.3 蒸汽發(fā)生器

大部分SMR 采用直流蒸汽發(fā)生器，其中mPower采用直管式，NuScale、IRIS、SMART均采用螺旋管式。直流蒸汽發(fā)生器能產(chǎn)生過熱蒸汽，省去傳統(tǒng)自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器中體積較大的汽水分離器，大為簡化設(shè)計，方便蒸汽發(fā)生器一體化布置，同時提高裝置熱效率。但由于易發(fā)生結(jié)垢，這種蒸汽發(fā)生器對給水水質(zhì)及傳熱管特性要求較高，另外，由于存在強烈相變，運行過程中還可能發(fā)生兩相流動不穩(wěn)定性等問題，因此相關(guān)研究及改進工作還在繼續(xù)。

W-SMR采用直管循環(huán)蒸汽發(fā)生器，由于產(chǎn)生濕蒸汽，因此在二回路側(cè)布置汽包，用于對濕蒸汽進行汽水分離，雖然整體設(shè)計略顯復雜，但可一定程度彌補直流蒸汽發(fā)生器的不足，技術(shù)難度較低。同時，在事故發(fā)生最初階段，汽包還可向蒸汽發(fā)生器補水，用于吸收堆芯熱量。

3.4 控制棒驅(qū)動機構(gòu)

除NuScale、SMART 采用外置式控制棒驅(qū)動機構(gòu)外（SMART 有計劃進一步改進設(shè)計，采用內(nèi)置式），其他堆型均采用內(nèi)置式。從安全性考慮，內(nèi)置式控制棒驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計可使壓力容器減少貫穿件開口數(shù)量，有利于保證壓力容器的完整性。同時，由于控制棒整體位于壓力容器內(nèi)，不再承受內(nèi)外巨大的壓差，可避免彈棒事故的發(fā)生。但這樣的設(shè)計方式具有一定的技術(shù)難度，并未被所有小型堆采納。

4 先進型小堆固有安全性改進

小堆在固有安全性方面較傳統(tǒng)堆型有較大提高，以下主要從壓力容器高度及反應堆單位功率水裝量兩方面變化，來分析小堆固有安全性的改進，相關(guān)堆型堆芯及燃料組件設(shè)計參數(shù)列于表2。

4.1 壓力容器高度變化

表2 堆芯及燃料組件設(shè)計參數(shù)Table 2 Parameters of core and fuel assembly

SMR 一體化的設(shè)計不僅減少了反應堆可能的事故隱患，同時由于壓力容器高度的增加，還使反應堆具有了較高的自然循環(huán)能力。根據(jù)差分法將壓力容器內(nèi)冷卻劑流動循環(huán)回路下降部分及上升部分均分成N 段，每段高度Δz，ρi為每段流體平均密度，則自然循環(huán)驅(qū)動壓頭及流量公式［11］可表示為：式中：Cfi為第i段總阻力損失系數(shù)；vi為第i 段流體平均流速；g為重力加速度。壓力容器高度的增加使循環(huán)回路長度提高，從而增加了回路的驅(qū)動力，使反應堆具有較強的自然循環(huán)能力。NuScale更是在增加壓力容器高度的同時，降低一回路運行壓力，使一回路冷卻劑微沸騰，即通過增加回路中冷段與熱段密度差來增加自然循環(huán)能力，從而實現(xiàn)了堆芯全功率自然循環(huán)設(shè)計。較強的自然循環(huán)能力保證了反應堆一定的冷卻劑循環(huán)流量，有利于事故工況堆內(nèi)熱量排出，尤其對于設(shè)置有主冷卻泵的反應堆，可降低主泵停轉(zhuǎn)引起的失流事故（LOFA）的嚴重性。

4.2 反應堆單位熱功率水裝量變化

單位熱功率水裝量是指壓力容器內(nèi)水的總?cè)莘e與反應堆熱功率的比值。反應堆具有相對較大的水裝量可提高應對功率瞬變的能力，同時也可在破口事故發(fā)生后保證堆芯更長時間的淹沒從而增加反應堆的安全性。

本文僅對所涉及的幾種堆型的單位熱功率水裝量進行估算，將壓力容器粗略視為圓柱體，其內(nèi)部體積與反應堆熱功率的比值粗略反應實際的單位熱功率水裝量，如圖2 所示。估算結(jié)果表明，SMR 堆與AP1000相比，相對水裝量明顯提高，甚至是10倍以上的增加。其中，比值最大的是SMART 堆，因此在其設(shè)計時，反應堆主要采用能動安注系統(tǒng)，考慮的就是其水裝量多，固有安全性高，在短時間內(nèi)不致使堆芯裸露，只要設(shè)法保證安全注入系統(tǒng)水泵正常工作，反應堆堆芯即可確保正常淹沒。

圖2 反應堆單位熱功率水裝量Fig.2 Water inventory per unit of reactor thermal power

5 小型堆專設(shè)安全設(shè)施設(shè)計

對于反應堆專設(shè)安全設(shè)施的設(shè)計，最初以能動設(shè)備為主，通過多樣性與冗余性設(shè)計，保證反應堆在事故情況下余熱順利排出。但隨著對于反應堆安全性要求的不斷提高，人們越來越重視在安全設(shè)施設(shè)計中引入非能動思想，即依靠自然力來保證反應堆安全。小堆在利用非能動方面具有天生優(yōu)勢，由于其本身功率較小，又設(shè)計有較高的自然循環(huán)能力，對于非能動余熱排出的要求不如大型反應堆高，也使其非能動安全設(shè)計得以簡化。表3列出不同堆型專設(shè)安全設(shè)施的設(shè)計情況。

表3 反應堆專設(shè)安全設(shè)施設(shè)計Table 3 Reactor safety design

在余熱排出方面，所有設(shè)計方案均采用非能動余熱排出方式，mPower還輔助設(shè)計有能動方式，通過蒸汽發(fā)生器將堆芯熱量排出。在安注系統(tǒng)（safety injection system，SIS）設(shè)計方面，各堆型設(shè)計差別較大。mPower、W-SMR、IRIS均通過與壓力容器相連的堆芯補水箱進行及時的堆芯補水。NuScale并未單獨設(shè)置堆芯補水箱，而通過巧妙設(shè)計，依靠自身水裝量確保堆芯淹沒。在事故發(fā)生后，壓力容器泄漏的水蒸氣將在安全殼內(nèi)壁液化，匯集到安全殼底部，并重新流回壓力容器，保證堆芯足夠的淹沒與冷卻。SMART 則憑借其較大的水裝量，主要依靠能動方式在事故情況下為堆芯安注，這樣的設(shè)計可在保障安全的情況下簡化反應堆設(shè)計，同時節(jié)約成本。

幾種先進型小堆的安全設(shè)施設(shè)計各有特色，有的通過合理設(shè)計，實現(xiàn)了如AP1000一樣的整體非能動安全設(shè)計，而有的則通過采用能動與非能動結(jié)合，確保事故下反應堆安全。專設(shè)安全設(shè)施上的設(shè)計差異是小型堆各方案最大不同之處，對于不同的設(shè)計與反應堆的安全性之間的關(guān)系，以及不同設(shè)計選擇所參考的原則等問題，還需進一步仔細研究。

6 結(jié)論

本文主要介紹了5種具有典型特征且設(shè)計較成熟的一體化壓水SMR 堆型。通過比較幾種SMR 堆型與大型反應堆設(shè)計方案的異同，可發(fā)現(xiàn)，小型堆在設(shè)計上遵循相同的設(shè)計考慮，在安全性與經(jīng)濟性原則指導下，有許多相似的設(shè)計改進，從而在總體上使小型壓水堆的設(shè)計形成一系列典型特征。同時也發(fā)現(xiàn)，在專設(shè)安全設(shè)施設(shè)計方面具體設(shè)計情況差別較大，還需進一步進行細致分析各方案之間的不同。

總體來看，先進型SMR 距離真正的商業(yè)運營還有一段距離，相關(guān)設(shè)計的可實現(xiàn)性及有效性還有待進一步驗證。但小型堆憑借其出色的安全特性以及靈活多用性，在未來核能市場仍具有巨大潛能。本文總結(jié)較成熟的先進型小堆設(shè)計特點及典型設(shè)計改進，希望為今后的小型堆設(shè)計及研究提供參考。

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