丁錫嘉　周濤　張家磊　朱亮宇

摘? 要：小型先進(jìn)模塊化反應(yīng)堆（SMR）是當(dāng)今核能技術(shù)發(fā)展的熱點領(lǐng)域。以國際主要核大國業(yè)已成熟的小堆技術(shù)和中核集團(tuán)的“玲瓏一號”為例，從安全法規(guī)要求、技術(shù)安全目標(biāo)等方面分析，證明小堆擁有嚴(yán)格的安全法規(guī)，高于三代核電標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)安全目標(biāo)，與不斷加強(qiáng)防人因失誤管理工作，顯示小堆技術(shù)是安全的。

關(guān)鍵詞：小堆;核安全;技術(shù)安全性

中圖分類號：TL351 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）34-0019-03

Abstract： Small modular reactor （SMR） is a hot field in the development of nuclear energy technology. Taking the mature small reactor technology of the major international nuclear powers and the "Linglong No. 1" of the China Nuclear Group as an example， it is proved that the small reactor has strict safety regulations from the aspects of safety regulations， technical safety objectives， and so on. The technical safety objectives above the third generation nuclear power standards and the continuous strengthening of human error management show that small reactor technology is safe.

Keywords： small reactor; nuclear safety; technical safety

迄今為止，核能作為一種安全、清潔、高效的能源，在世界能源結(jié)構(gòu)版圖上，占據(jù)著重要的地位。但由于日本福島核事故與西方部分發(fā)達(dá)國家無核化思潮的影響下，大型商業(yè)化反應(yīng)堆存在建造周期長，建設(shè)成本高等問題，社會輿論對涉核大型項目投資持質(zhì)疑與抵觸的態(tài)度，使部分重要核設(shè)施核項目處于無法落地的狀態(tài)。而小型核反應(yīng)堆就成為了核能技術(shù)發(fā)展的一種新的途徑。小堆，是“小型先進(jìn)模塊化多用途反應(yīng)堆”的簡稱。根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）的定義： 300MWe以下的核反應(yīng)堆成為小型核反應(yīng)堆（以下簡稱“小堆”）。近年來，小堆以其獨特的分布式能源特征，在一些電力市場基本飽和與電力需求微增長的發(fā)達(dá)國家，和資金實力有限，電網(wǎng)容量較小，難以容納大型核電機(jī)組的發(fā)展中國家引起了相當(dāng)廣泛的關(guān)注。同時，隨著核能及相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，小堆也被考慮用于滿足一些特殊領(lǐng)域的能源供給。

1 國內(nèi)外小堆類型與發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 小堆類型

目前世界各國研發(fā)的小堆中，大都具有三代以上安全特性，又以壓水堆與氣冷堆最為成熟，是研發(fā)設(shè)計的主力堆型。

世界上主要國家已研發(fā)的以上四種小堆參數(shù)如表1所示。

1.2 總體發(fā)展

上世紀(jì)80年代后，國際上掀起了小堆開發(fā)的熱潮。根據(jù)反應(yīng)堆中子慢化劑的不同，可主要分為重水堆、輕水堆，液態(tài)金屬堆與熔鹽堆。1985年，IAEA啟動了先進(jìn)中小型反應(yīng)堆研究項目。1991年，發(fā)布了第一份小堆研究報告。2004年，啟動小堆開發(fā)計劃，成立了革新性核反應(yīng)堆協(xié)作研究項目，成員總數(shù)至今以達(dá)到30個。在過去的三十多年，IAEA始終努力推動小堆技術(shù)的研發(fā)，認(rèn)為先進(jìn)小堆技術(shù)是未來核能發(fā)展的方向之一，具有很好的應(yīng)用前景。

1.3 美國

美國目前由能源部（DOE）通過政府資助項目支持小堆的研發(fā)，美國核管會（NRC）著手制定小堆設(shè)計的審查大綱與解決政策性問題。美國認(rèn)為開發(fā)小堆有復(fù)興核能產(chǎn)業(yè)，保持核能技術(shù)領(lǐng)先地位，復(fù)興裝備制造業(yè)，發(fā)展低碳能源等多重原因。日前，美國巴威公司于2012年開始進(jìn)行mPower小堆研發(fā)，NuScale電力公司于2014年改進(jìn)設(shè)計了NuScale小堆。

1.4 俄羅斯

俄羅斯是最早開展小堆應(yīng)用的國家。2006年，俄羅斯聯(lián)邦原子能機(jī)構(gòu)（現(xiàn)為俄羅斯國家原子能集團(tuán)公司Rosatom）確定發(fā)展KLT與VBER兩種小堆堆型，尤其以KLT-40S的發(fā)展最為迅速。根據(jù)規(guī)劃，俄羅斯還將建設(shè)一批浮動式核電站，為大型工業(yè)項目，港口城市，海上油氣平臺提供能源。

1.5 中國

自本世紀(jì)以來，國內(nèi)涉核企業(yè)進(jìn)一步加快小堆技術(shù)研發(fā)的步伐。利用小堆功率小、模塊化、固有安全性高的特征，將其進(jìn)行組合可適應(yīng)電網(wǎng)供電、城市供暖、工業(yè)工藝供熱、海水淡化、海洋資源開發(fā)等需求方面做出了一系列卓有成效的工作，研發(fā)出ACP100、燕龍泳池供熱堆多種小堆，處于國際先進(jìn)的水平。

2 國外小堆安全性分析

2.1 美國

mPower小堆采用一體化設(shè)計，單堆功率180MWe，堆芯采用69盒截短型17×17燃料組件，活性區(qū)高度2.413m，換料周期48個月，反應(yīng)堆頂部布置有8臺主泵和1臺內(nèi)置式穩(wěn)壓器。控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)完全浸沒在一回路中從而避免控制棒彈棒事故，堆芯采用無可溶硼設(shè)計，利用控制棒進(jìn)行反應(yīng)性控制，采用非能動安全系統(tǒng)實現(xiàn)事故后的衰變熱導(dǎo)出。

NuScale小堆單堆功率45MWe，堆芯采用富集度小于4.95%的17×17燃料組件，活性區(qū)高度2m，換料周期24個月。NuScale小堆設(shè)計有足夠強(qiáng)的自然循環(huán)能力，不需要配備主泵，設(shè)計大為簡化。同時采用緊貼式安全殼，體量小，可以現(xiàn)場組裝，大大縮短建設(shè)周期。堆芯熔毀頻率為10-8量級，安全性能出眾。

2.2 俄羅斯

KLT系列小堆為緊湊式模塊化小堆，單堆功率150MWt，可以產(chǎn)生35MWe電力用于供電和供應(yīng)蒸汽進(jìn)行海水淡化?？梢酝ㄟ^駁船方式向沒有集中供電的邊遠(yuǎn)地區(qū)居民供電供熱，也可通過海水淡化系統(tǒng)向干旱地區(qū)供電供水。

KLT-40S堆芯布置121組六角形燃料組件，組件總廠1670mm，包殼為E635鋯合金。在事故狀態(tài)下，可通過非能動安全系統(tǒng)達(dá)到應(yīng)急停堆冷卻、堆芯應(yīng)急冷卻、堆腔淹沒、安全殼應(yīng)急降壓等功能。增加了防護(hù)圍板作為一道安全屏障，能及時監(jiān)測和排除可能泄漏的易揮發(fā)氣體，徹底消除了超設(shè)計基準(zhǔn)事故的應(yīng)急撤離問題。換料周期為3-4年，具備船上換料能力并設(shè)置有乏燃料貯存設(shè)施。

3 我國自主小堆安全性分析（以“玲瓏一號”為例）

3.1 “玲瓏一號”采用的安全法規(guī)體系

“玲瓏一號”嚴(yán)格按照中華人民共和國國家原子能法、放射性污染防治法，生態(tài)環(huán)境部、國家核安全局頒布的HAF001、HAF002、HAF501等法律法規(guī)，從安全系統(tǒng)、輻射防護(hù)、機(jī)械設(shè)備幾方面制定了詳細(xì)周密的核安全標(biāo)準(zhǔn)體系。

（1）安全系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)的設(shè)計不再提及具體的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)而援引比較宏觀的概括的核安全法規(guī)。在必要的時候，可以針對個別系統(tǒng)出版系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則。

（2）輻射防護(hù)遵循國內(nèi)最新的GB和NB標(biāo)準(zhǔn)，包括GB 6249-2011《核動力廠環(huán)境輻射防護(hù)規(guī)定》，GB/T 13976-2008《壓水堆核電廠運行工況下的放射性源項》，GB 14587-2011《核電廠放射性液態(tài)流出物排放技術(shù)要求》，GB 18871-2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》等。

（3）機(jī)械設(shè)備設(shè)計中，核級機(jī)械設(shè)備可采用根據(jù)RCC-M相應(yīng)部分轉(zhuǎn)化而來的GB和NB標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計、制造和檢驗。非核級機(jī)械設(shè)備采用相應(yīng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 “玲瓏一號”安全設(shè)計原則

“玲瓏一號”安全設(shè)計緊緊圍繞核電廠三大基本安全功能（反應(yīng)性控制、余熱排出、放射性包容），進(jìn)行了以下六方面安全設(shè)計：

（1）滿足“縱深防御”設(shè)計要求，設(shè)置嚴(yán)重事故應(yīng)對措施。

（2）極限安全地震動SL-2按照0.3g進(jìn)行設(shè)計。

（3）主要設(shè)備，如OTSG、主泵、燃料、控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用經(jīng)驗證的成熟技術(shù)。

（4）采用非能動的安全設(shè)施。

（5）設(shè)置嚴(yán)重事故預(yù)防與緩解措施、CDF（堆芯熔毀頻率）和LERF（大規(guī)模放射性物質(zhì)釋放概率）滿足三代指標(biāo)要求。

（6）R廠房全埋布置、常規(guī)島下沉、設(shè)置APC殼提高抵御廠址外部事件的能力。

3.3 “玲瓏一號”技術(shù)安全特性

“玲瓏一號”憑借以下六方面的技術(shù)設(shè)計，全面達(dá)到三代核電技術(shù)安全目標(biāo)。

（1）反應(yīng)堆使用一體化設(shè)計，大大減少了主回路管道數(shù)量，簡化了反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，消除了大LOCA事故，提高了反應(yīng)堆固有安全特性。

（2）具備了非能動安全系統(tǒng)（PXS、PRS、PCS、RDP），包括非能動堆芯冷卻系統(tǒng)（CMT、ACC、IRWST），非能動余熱排出系統(tǒng)與非能動安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)。

（3）燃料組件選擇57組截短型CF2燃料組件，換料周期長達(dá)24個月，平均可利用率大于90%。

（4）非能動氫氣復(fù)合系統(tǒng)與PXS堆腔注水冷卻能夠預(yù)防和緩解嚴(yán)重事故。

（5）核島布置采用雙堆雙機(jī)、R廠房全埋、APC殼作為雙堆核島廠房構(gòu)筑物、常規(guī)島廠房整體下沉的方案，可以有效地抵擋外部環(huán)境事件對于核島廠房的影響。

（6）使用了膜法反滲透海水淡化技術(shù)。

3.4 “玲瓏一號”人因安全分析

作為“玲瓏一號”的研發(fā)單位中核集團(tuán)，早在2009年初成立了人因管理推進(jìn)工作組，借鑒國內(nèi)外人因管理理論、理念和實踐，結(jié)合公司自身實際，已經(jīng)形成了覆蓋人因管理理論、培訓(xùn)教材、技術(shù)導(dǎo)則、視頻輔助學(xué)習(xí)等完整的人因管理體系，為小堆防人因失誤提供堅強(qiáng)支撐。

3.5 “玲瓏一號”總體安全性評價

根據(jù)上述安全法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)、安全設(shè)計原則研發(fā)的“玲瓏一號”，其設(shè)計安全目標(biāo)如表2所示。

從表2可以看出，“玲瓏一號”能夠滿足我國現(xiàn)行核安全法規(guī)及導(dǎo)則的要求。設(shè)計中充分應(yīng)用縱深防御原則和可靠性設(shè)計原則，采取多重安全屏障和專設(shè)安全設(shè)施，使堆芯損壞頻率和早期放射性物質(zhì)大量釋放頻率遠(yuǎn)低于相關(guān)安全規(guī)定，其安全水平達(dá)到三代核能系統(tǒng)的指標(biāo)要求。同時，吸收福島核電站事故的經(jīng)驗反饋，考慮應(yīng)對類似事故的相關(guān)改進(jìn)和措施，具備完善的嚴(yán)重事故預(yù)防和緩解措施，進(jìn)一步提高核電廠的安全性和運行可靠性，并能夠滿足國家核安全局頒發(fā)的《“十二五”期間新建核電廠安全要求》。

4 結(jié)束語

結(jié)合國內(nèi)外實際，重點以ACP100“玲瓏一號”為例，分析了小堆技術(shù)的在法律法規(guī)、技術(shù)目標(biāo)等方面的安全性。

（1）以美、俄等國設(shè)計的mPower，NuScale，KLT-40S等小堆在EDF、LRF等指標(biāo)均達(dá)到三代核電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，緊湊模塊化設(shè)計又減少了反應(yīng)堆一回路設(shè)備數(shù)量，甚至能消除超設(shè)計基準(zhǔn)事故（BDBA）的發(fā)生可能性。

（2）我國自主研發(fā)的“玲瓏一號”ACP100模塊化小堆采用“固有安全加非能動安全”的安全設(shè)計理念，強(qiáng)化前端事故預(yù)防，追求源頭事件安全。

（3）“玲瓏一號”ACP100模塊化小堆通過設(shè)計消除許多傳統(tǒng)的設(shè)計基準(zhǔn)事件和假想事故，從設(shè)計上可實現(xiàn)不需要廠外應(yīng)急，實際消除放射性物質(zhì)大量釋放的可能。

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