摘 要：KLT-40S所采用的鼓泡抑壓技術(shù)其抑壓工作過(guò)程與傳統(tǒng)抑壓技術(shù)完全不同，這種技術(shù)需要的抑壓池空間較小，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，布置靈活，空間利用率高等優(yōu)點(diǎn)。本文還對(duì)KLT-40S鼓泡抑壓技術(shù)的應(yīng)用條件進(jìn)行了說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：小型堆；KLT-40S；鼓泡；抑壓池；技術(shù)特點(diǎn)

根據(jù)文獻(xiàn)[1]， 由于LOCA 事故噴放階段質(zhì)能釋放焓值較高，安全殼噴淋難以及時(shí)有效地抑制安全殼壓力的上升，如何抑制事故初期安全殼內(nèi)的壓力峰值是維持安全殼完整性的關(guān)鍵，根據(jù)BWR設(shè)計(jì)和國(guó)外小型堆開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，安全殼抑壓技術(shù)是解決該問(wèn)題的重要途徑。KLT-40S是由俄羅斯Afrikantov OKBM（阿夫里坎托夫機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)局）開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的小型反應(yīng)堆，它采用的是鼓泡抑壓技術(shù)，這有別于傳統(tǒng)抑壓技術(shù)（比如GE的MARK-I、MARK-II、MARK-III安全殼）。

1 KLT-40S安全殼特點(diǎn)

KLT-40S的安全殼為長(zhǎng)方體形鋼質(zhì)安全殼，除去反應(yīng)堆系統(tǒng)、設(shè)備和構(gòu)筑物占用的實(shí)體空間外，它由上部濕井，下部濕井和干井組成。上部濕井和干井之間通過(guò)聯(lián)通管口上的爆破膜分隔，下部濕井和干井之間也通過(guò)聯(lián)通管連接，聯(lián)通管一端通過(guò)爆破膜接著干井，另一端深埋在抑壓池水面以下，水面下的聯(lián)通管橫管上開(kāi)設(shè)有朝上的通氣孔，起到在抑壓工作的時(shí)候向上鼓泡的作用，因此稱之為“鼓泡抑壓”，干井和下部濕井之間通過(guò)該聯(lián)通管這唯一通道聯(lián)通。

在上部濕井和下部干井之間有分隔板，使上部濕井和下部干井之間完全分隔開(kāi)。KLT-40S安全殼內(nèi)部圖及設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化圖見(jiàn)圖1。

2 鼓泡抑壓工作過(guò)程

在干井內(nèi)發(fā)生LOCA事故的情況下，見(jiàn)圖3，干井中的壓力迅速升高，當(dāng)達(dá)到爆破膜1的設(shè)定壓力（KLT的設(shè)定壓力為1.3Bar[2]）的時(shí)候，爆破膜破裂，壓力促使聯(lián)通管內(nèi)的水實(shí)體被推射到濕井中，當(dāng)聯(lián)通管內(nèi)的水推射完畢，蒸汽/空氣的混合物以鼓泡的形式進(jìn)入到濕井中，蒸汽被迅速凝結(jié)，不凝結(jié)的空氣進(jìn)入到下部濕井的上部空間中，使該區(qū)域的壓力不斷升高，當(dāng)超過(guò)聯(lián)通管上爆破膜的設(shè)定壓力（KLT是1.7Bar）的時(shí)候，爆破膜破裂，上部濕井大量的自由空間使下部濕井內(nèi)的壓力迅速降低，這樣鼓泡凝結(jié)的過(guò)程還可以持續(xù)到干井和濕井壓力平衡為止。隨著事故進(jìn)程，熱量的導(dǎo)出很可能造成上部濕井壓力大大超過(guò)下部干井，這對(duì)維持結(jié)構(gòu)的完整性是非常危險(xiǎn)的，隨著壓差的加大，爆破膜3破裂，使干井和濕井之間的壓力維持平衡直到事故后期。

從工質(zhì)傳遞形成持續(xù)抑壓過(guò)程的角度我們可以把這個(gè)過(guò)程分成4個(gè)階段：

第一階段：干井壓力迅速升高到爆破膜1設(shè)定壓力階段；

第二階段：爆破膜1破裂到聯(lián)通管內(nèi)水實(shí)體被推壓出去階段；

第三階段：從推壓完成到爆破膜2破裂前持續(xù)鼓泡抑壓階段；

第四階段：從爆破膜2破裂到抑壓過(guò)程停止（不存在工質(zhì)的正向流動(dòng)）階段。

從上面工作過(guò)程的描述，我們可見(jiàn)在KLT-40S的抑壓工作過(guò)程中，正是通過(guò)爆破膜實(shí)現(xiàn)了對(duì)抑壓工作過(guò)程的有效干預(yù)，這是與傳統(tǒng)抑壓技術(shù)顯著不同的地方。

3 鼓泡抑壓技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

3.1 縮小事故影響范圍

在發(fā)生安全殼內(nèi)冷卻劑或蒸汽泄漏事故后，安全殼內(nèi)濕熱環(huán)境會(huì)對(duì)設(shè)備可能造成影響，從主動(dòng)安全的角度來(lái)講，能夠把事故影響限制在盡可能小的范圍內(nèi)是行之有效的技術(shù)措施，而KLT-40S采用爆破膜的干預(yù)手段，能夠最大限度地縮小事故影響范圍：

（1）第一道爆破膜可以使輕微泄漏不至于導(dǎo)致抑壓過(guò)程啟動(dòng)；

（2）第二道爆破膜同樣可以使抑壓過(guò)程限制在局部的范圍之內(nèi)。

即使是在大破口泄漏的情況下，第一二道爆破膜只是使抑壓工作過(guò)程出現(xiàn)瞬斷，干預(yù)了安全殼內(nèi)壓力變化的過(guò)程，但爆破膜對(duì)終態(tài)不會(huì)有影響。

3.2 有效縮小抑壓池和聯(lián)通管尺寸

抑壓池?fù)?dān)負(fù)著重要的安全功能，占據(jù)了安全殼內(nèi)相當(dāng)大的布置空間，而傳統(tǒng)抑壓技術(shù)為達(dá)到抑壓效果，對(duì)抑壓池的布置要求非常高，而KLT-40S通過(guò)第二道爆破膜將濕井進(jìn)行了隔離，在抑壓池水面上方只需要很小的一部分自由容積，這樣使抑壓池得到了最大限度地縮小，從而使得安全殼內(nèi)的布置可以非常地靈活高效，非常適于“瘦高型”抑壓容器代替抑壓池，這非常有利于適應(yīng)海洋搖擺沖擊工作環(huán)境。

在同樣的事故后蒸汽量的情況，KLT-40S需要通過(guò)聯(lián)通管通流的不凝結(jié)氣體的體積要大幅度地低于傳統(tǒng)抑壓技術(shù)，因此KLT-40S需要的聯(lián)通管可以設(shè)計(jì)得很小。

3.3 能夠消除不凝結(jié)氣體的影響

根據(jù)抑壓工作原理，只有蒸汽進(jìn)入抑壓池才會(huì)有效抑制壓力升高，但事故前安全殼內(nèi)空氣的存在對(duì)抑壓過(guò)程的負(fù)面影響是客觀存在的，從KLT-40S的抑壓過(guò)程我們可見(jiàn)，在事故后他只需要驅(qū)趕安全殼內(nèi)非常少的干井中的空氣，因?yàn)榫o湊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這部分空氣占安全殼內(nèi)自由容積的份額非常小，也就是說(shuō)事故后只有干井中的少量空氣會(huì)對(duì)抑壓過(guò)程造成負(fù)面影響。即使這少量的不凝結(jié)氣體影響了KLT-40S的抑壓過(guò)程，在第二道爆破膜破裂后，抑壓過(guò)程仍然可以持續(xù)，從而實(shí)現(xiàn)充分換熱。

3.4 能夠有效“驅(qū)趕”蒸汽到抑壓池

對(duì)采用抑壓技術(shù)的安全殼，如何在事故后使蒸汽迅速通過(guò)抑壓池水凝結(jié)冷卻是抑制壓力升高的關(guān)鍵。在蒸汽進(jìn)入抑壓水池過(guò)程中，都不同程度地夾帶著不凝結(jié)的空氣。

對(duì)KLT-40S而言，即使事故初期進(jìn)入抑壓水池的氣體全部是不凝結(jié)氣體，也只會(huì)使第三階段過(guò)程縮短，在第四階段抑壓池可以持續(xù)進(jìn)行凝結(jié)抑壓，因此干井中的不凝結(jié)氣體不會(huì)對(duì)蒸汽的凝結(jié)抑壓造成影響。KLT-40S在第二道爆破膜破裂后，上部濕井空間可以用于吸納大量的不凝結(jié)空氣，由于干井的容積小容納的空氣少，空氣相對(duì)于需凝結(jié)的蒸汽的份額就小得多，這對(duì)快速驅(qū)趕蒸汽進(jìn)入抑壓池是非常有利的。

4 鼓泡抑壓技術(shù)應(yīng)用條件

4.1 安全殼內(nèi)增設(shè)分隔

對(duì)KLT-40S抑壓技術(shù)，在干井和上部濕井之間需要加設(shè)分隔板，這是實(shí)現(xiàn)抑壓功能和對(duì)抑壓過(guò)程干預(yù)的關(guān)鍵技術(shù)措施，從圖4可見(jiàn)，分隔裝置在主設(shè)備正上方是比較厚重的，這主要是兼顧了輻射屏蔽的功能，在其他區(qū)域輻射屏蔽要求較低的情況下，分隔板要薄得多。

4.2 爆破膜設(shè)定壓力

如圖5，典型的LOCA事故后，干井內(nèi)的壓力迅速升高，在聯(lián)通管內(nèi)的水推射完畢后，濕井內(nèi)的壓力也迅速升高，在幾十秒內(nèi)干井內(nèi)的壓力就可以達(dá)到壓力峰值。

KLT-40S設(shè)置的爆破膜在抑壓過(guò)程中不僅改變了干井和濕井壓力變化的進(jìn)程和數(shù)值，甚至能延緩壓力峰值出現(xiàn)的時(shí)間，降低壓力峰值。

爆破膜的設(shè)定壓力應(yīng)以事故分析和試驗(yàn)驗(yàn)證為基礎(chǔ)，合理選擇和優(yōu)化組合。

4.3 安全殼內(nèi)分隔位置的選取

從KLT-40S的抑壓設(shè)計(jì)我們可以看出，威脅到安全殼完整性的大破口的泄漏點(diǎn)都選擇在分隔板的下方，分隔板上方要求不能存在威脅安全殼完整性的可能破口點(diǎn)，這就要求反應(yīng)堆和主要設(shè)備幾乎都要布置在分隔板下方，將可能發(fā)生破口泄漏的設(shè)備和管道設(shè)置在分隔板的下方。

對(duì)采用OTSG（直通式蒸發(fā)器）的一體化堆型或緊湊型堆型，因?yàn)檎舭l(fā)器二次側(cè)水裝量極少，即使發(fā)生MSLB（主蒸汽管道破裂），在主蒸汽隔離閥隔離后只會(huì)泄漏出非常少的蒸汽，不會(huì)威脅到安全殼，不需要將主蒸汽管道布置在分隔板下方這樣，容易實(shí)現(xiàn)分隔板布置和采用鼓泡抑壓技術(shù)。而B(niǎo)WR和采用UTSG（U型管式蒸發(fā)器）的PWR因?yàn)橹髡羝艿榔屏迅吣茚尫艜r(shí)間長(zhǎng)、能量大的特點(diǎn)，不宜采用鼓泡抑壓技術(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，KLT-40S采用的鼓泡抑壓技術(shù)工作原理與傳統(tǒng)BWR抑壓技術(shù)沒(méi)有區(qū)別，但具有與傳統(tǒng)抑壓技術(shù)完全不同的工作過(guò)程，通過(guò)采用分隔板和爆破膜，實(shí)現(xiàn)了對(duì)抑壓過(guò)程的巧妙干預(yù)，鼓泡抑壓技術(shù)能夠很好地適應(yīng)海洋工作條件，可以為國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)海上小型堆借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]全標(biāo)，等.抑壓式安全殼的抑壓特性研究[J].核動(dòng)力工程.

[2]IAEA-TECDOC-881，Design and development status of small and medium reactor systems 1995[EB].IAEA.

作者簡(jiǎn)介：張臣剛（1973-），男，重慶萬(wàn)州人，本科，高級(jí)工程師，主要從事核電堆型研發(fā)和設(shè)備國(guó)產(chǎn)化研發(fā)方面的工作。