CPR1000核電廠與第三代核電廠的差距與改進(jìn)

Differences Between CPR1000 and the Third Generation Nuclear Power plant and Relevant lmprovements

駱邦其

（ 中科華核電技術(shù)研究院，廣東 深圳 218026 ）

      摘要：介紹了CPR1000核電廠在安全專用設(shè)施、嚴(yán)重事故緩解措施和反應(yīng)堆熱工裕量等方面與第三代核電廠的差別以及進(jìn)行的相應(yīng)改進(jìn)，經(jīng)過改進(jìn)的CPR1000核電廠可實(shí)現(xiàn)安注和噴淋連續(xù)運(yùn)行不切換、采用14英尺（約4.27M）燃料元件，降低線功率使反應(yīng)堆熱工裕量不低于15%，確保壓力容器的設(shè)計(jì)壽命由40年增加到60年，大大提高了核電廠的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)過改進(jìn)的CPR1000核電廠可成為具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代核電廠，在滿足國(guó)內(nèi)需求的同時(shí)可以走向國(guó)際市場(chǎng)。

      關(guān)鍵詞：CPR1000核電廠；第三代核電廠；差別與改進(jìn)

      Abstract:The differences in the engined safety features,severe accident mitigation measutes and reactor thermal margin between the CPR1000 and the theird nuclear power plant and relevant improvements are described in this paper.After improvement,the safety injection pumps and spray pumps of CPR1000 nuclear power plant can run continuously without switching from refuel water tank(ptr)to sump,the use of 14 feet fuel assembly can reduce the reactor linear power and keep reactor thermal margin higher than 15%,and the design life of reactor pressure vessel would be increased from 40 to 60 years,the safety,reliability and economy of CPR1000 nuclear power technology with independent self intellectual property right,which can satisfy the requirements of national and intenational markets.

      Key words:CPR1000 nuclear power plant; the third generation nuclear power plant; Difference and improvement

1  CPRl000核電廠與第三代核電廠的差距

      表1給出了CPRl000、APl000和EPR部分性能指標(biāo)滿足URD的情況。

      表l CPRi000核電廠與EPR和APl000核電廠

      從表1可以得出，CPRl000核電廠與APl000和EPR的主要差距在于：

      (1)專用安全設(shè)施的可靠性；

      (2)熱工裕量；

      (3)核電廠的設(shè)計(jì)壽命。

      CPRl000核電廠要達(dá)到第三代核電廠的水平，需要對(duì)以上三項(xiàng)進(jìn)行改進(jìn)。

2  CPRl000核電廠的改進(jìn)

2．1  專用安全設(shè)施

      (1)換料水箱。把換料水箱設(shè)置在安全殼內(nèi)，與地坑合二為一，使安注和噴淋連續(xù)運(yùn)行不切換，提高安注和噴淋的可靠性。

      (2)增設(shè)非能動(dòng)堆芯冷卻和堆坑充水箱。在安全殼內(nèi)(或外)增加一個(gè)非能動(dòng)堆芯冷卻和堆坑充水箱，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其底部高于反應(yīng)堆壓力容器入口管嘴。非能動(dòng)堆芯冷卻和堆坑充水箱具有冷卻堆芯和堆坑充水兩種功能。

      ①堆芯冷卻功能。安裝在壓力容器(或者主回路管道)上的安注管道延伸到非能動(dòng)堆芯冷卻和堆坑充水箱的底部，并在管道上安裝—個(gè)爆破閥。在正常運(yùn)行時(shí)，爆破閥足關(guān)閉的。在事故狀態(tài)下，利用穩(wěn)壓器卸壓功能，當(dāng)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的壓力降低到0．2MPa時(shí)，與安注管道相連的管道上的爆破閥自動(dòng)打開，非能動(dòng)堆芯冷卻劑和堆坑充水箱內(nèi)的冷卻劑自動(dòng)注入反應(yīng)堆堆芯，確保堆芯淹沒和冷卻。

      ②堆坑充水功能。在非能動(dòng)堆芯冷卻和堆坑充水箱的底部和反應(yīng)堆堆坑之間安裝一根堆坑充水管道，在這根管道上安裝一個(gè)閥門。反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，這個(gè)閥門是關(guān)閉的。在事故狀態(tài)下，當(dāng)堆坑需要充水時(shí)，打開管道上的閥門，非能動(dòng)堆芯冷卻和堆坑充水箱內(nèi)的冷卻劑自動(dòng)流入反應(yīng)堆堆坑，冷卻并帶走壓力容器的熱量，減緩或預(yù)防壓力容器失效。在某些事故情況下，當(dāng)非能動(dòng)堆芯冷卻和堆坑充水箱的水位降低到最低水位時(shí)，超過反應(yīng)堆堆坑充水管道的流體會(huì)自動(dòng)流入非能動(dòng)堆芯冷卻和堆坑充水箱內(nèi)，保持水箱有足夠的水位淹沒和冷卻堆芯。

      (3)高壓、低壓安注泵和余熱導(dǎo)出系統(tǒng)的改進(jìn)。

      ①上充泵和高壓安注泵分離。上充泵和高壓安注泵分開設(shè)置，以提高高壓安注的可靠性。同時(shí)設(shè)置高壓安注泵的投入整定值低于蒸汽發(fā)生器的安全閥的打開整定值，可以避免蒸汽發(fā)生器管子破裂(SGTR)事故時(shí)蒸汽發(fā)生器安全閥打開而使大量放射性物質(zhì)釋放到外部環(huán)境。

      ②低壓安注泵兼作余熱導(dǎo)出泵。低壓安注泵兼作余熱導(dǎo)出泵，同時(shí)提高低壓安注的投入整定值到6．0MPa。作為低壓安注泵時(shí)，不但安注連續(xù)注入不切換，提高了安注的可靠性，而且注入堆芯的冷卻劑連續(xù)被降溫，大大提高了堆芯的安全性。作為余熱導(dǎo)出泵時(shí)，蒸汽發(fā)生器在失去全部給水的情況下，低壓安注泵通過換料水箱向堆芯注入含硼水并通過穩(wěn)壓器閥門實(shí)現(xiàn)注入和排出，導(dǎo)出堆芯余熱，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

      (4)安全殼噴淋與熱量導(dǎo)出系統(tǒng)。

      對(duì)安全殼噴淋系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，設(shè)置兩套專用安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)替代噴淋和換料水箱熱交換器，每套安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)包括1臺(tái)熱量導(dǎo)出泵、1臺(tái)中間冷卻泵和1臺(tái)熱交換器。

      由于換料水箱設(shè)置在安全殼內(nèi)，在事故狀態(tài)可以吸收如主蒸汽管道在安全殼內(nèi)斷裂和主冷卻劑管道發(fā)生人破U失水事故情況下的高溫冷卻劑的熱量，避免安全殼壓√J的升高，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故情況下不使用安全殼噴淋系統(tǒng)，在嚴(yán)重事故情況下12h以后使用噴淋系統(tǒng)，預(yù)防在事故狀態(tài)下安全殼壓力升高，結(jié)構(gòu)如圖2所示。 

      安全殼熱量導(dǎo)出泵的吸入管安裝在換料水箱的底部，在噴淋過程中連續(xù)運(yùn)行不切換，大大提高了噴淋的可靠性。安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)具有兩種功能：

      ①反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，對(duì)換料水箱進(jìn)行冷卻，保證換料水箱的溫度≤40度；

      ②在事故狀態(tài)特別是在嚴(yán)重事故狀態(tài)下，作為最終的緩解措施，導(dǎo)出安全殼內(nèi)的熱量，限制安全殼的壓力升高。

      (5)應(yīng)急輔助給水。

      應(yīng)急輔助給水除了與啟動(dòng)和停堆輔助給水分開設(shè)置以外，還增加兩臺(tái)小型柴油發(fā)電機(jī)，以提高應(yīng)急輔助給水系統(tǒng)的可靠性。

      (6)設(shè)置專用濃硼系統(tǒng)。

      取消現(xiàn)在的濃硼箱。獨(dú)立設(shè)置2個(gè)序列的備用濃硼系統(tǒng)，每個(gè)序列包括1臺(tái)濃硼泵和1個(gè)硼濃度為0．7％的濃硼箱。事故狀態(tài)下，每個(gè)序列可以在運(yùn)行壓力下向2個(gè)環(huán)路注入濃硼，預(yù)防未能緊急停堆的預(yù)期瞬變(ATWS)等事故。

2．2  熱工裕量

      雖然熱工裕量不足安全驗(yàn)收準(zhǔn)則，但具有較大熱工裕量的反應(yīng)堆具有潛在預(yù)防事故的能力。CPRl000核電站增大熱工裕量的措施是：在不改變壓力容器尺寸的情況下，采用14英尺燃料組件。

      表2給出了CPRl000核電廠—和APl000核電廠的壓力容器的壓力容器的尺寸、燃料組件數(shù)目和活性區(qū)高度的比較。

      表2 CPRl000和APl000的壓力容器尺寸、燃料組件數(shù)日APl000核電廠一樣采用成熟的14英尺(約4．27m)燃料組件。反應(yīng)堆的平均線功率從原來的185．9W／Cm下降到159．4W／Cm。如果CPR1000核電廠采用EPR核電廠的AFA-3G LE燃料元件技術(shù)(4．2m)，反應(yīng)堆的平均線功率足161．4W／Cfll。這樣就可以使CPRl000核電廠的反應(yīng)堆熱工裕量≥15％。

2．3  壓力容器的設(shè)計(jì)壽命

      核電廠的安全是非常重要的，經(jīng)濟(jì)性同樣也非常重要，沒有經(jīng)濟(jì)性的核電廠是沒有生命力的，提高核電廠的設(shè)計(jì)壽命，是提高核電廠經(jīng)濟(jì)性的重要途徑。反應(yīng)堆壓力容器是在核電廠的壽期內(nèi)不更換的重要設(shè)備，把CPRl000核電廠的反應(yīng)堆壓力容器的設(shè)計(jì)壽命從40年提高到60年，必然會(huì)提高核電廠的的經(jīng)濟(jì)性。

      CPRl000核電廠采用14英尺(約4．27m)燃料組件和低泄漏換料方式可以降低單位面積上壓力容器受到的中子注入量而提高壓力容器的使用壽命，同時(shí)采用重反射層屏蔽中子，把壓力容器的使用壽命提高到60年。

3  結(jié)束語

      從技術(shù)上來說，對(duì)CPRl000核電廠進(jìn)行適當(dāng)?shù)募夹g(shù)改進(jìn)，沒有技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樗捎玫木鶠槌墒旒夹g(shù)。通過對(duì)CPRl000核電廠的技術(shù)改進(jìn)，對(duì)于掌握核電廠的核心設(shè)計(jì)技術(shù)，培養(yǎng)造就一支一流的核電廠設(shè)計(jì)隊(duì)伍，扭轉(zhuǎn)核電建設(shè)的“技術(shù)引進(jìn)呻消化吸收—建設(shè)生產(chǎn)—技術(shù)落后—再引進(jìn)—再消化吸收—再建設(shè)牛產(chǎn)”的惡性循環(huán)，使廣核集團(tuán)的核電廠研究設(shè)計(jì)達(dá)到先進(jìn)水平，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

      CPRl000核電廠值得改進(jìn)的地方比較多，但是，只要對(duì)CPRl000核電廠的專用安全設(shè)施進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)、采用14英尺(約4．27m)的燃料組件和在增加重反射層等措施，就可以使CPRl000核電廠的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性大大提高，使CPRl000核電廠接近第二代核電廠的水平。經(jīng)過改進(jìn)的CPRl000核電廠具有如下優(yōu)點(diǎn)。

3．1  安全性好

      (1)固有安全性和備用反應(yīng)性。

      改進(jìn)后的CPRl000核電廠的線功率為159．4(或者161．4)W／cm，因此，堆芯具有較大的固有安全性。同時(shí)備有獨(dú)立的高壓(15．5MPa)備用濃硼注入系統(tǒng)，大大提高了快速預(yù)防ATWS和具他反應(yīng)性事故的能力。

      (2)專用安全設(shè)施的可靠性。

      ①高壓安注泵投入整定值為8．0MPa，降低了SGTR類事故和安全殼直接旁通類事故風(fēng)險(xiǎn)；安注連續(xù)運(yùn)行不切換，大大捉高了堆芯安全性和可靠性。即使在最嚴(yán)重的全廠斷電事故情況下，非能動(dòng)堆芯冷卻和堆坑充水箱、反應(yīng)堆堆坑和穩(wěn)壓器卸壓閥可以以非能動(dòng)的方式來保證堆芯被淹沒，確保堆芯不損壞。

      ②相互獨(dú)立的汽動(dòng)和電動(dòng)輔助(應(yīng)急)給水泵布置并且為電動(dòng)給水泵設(shè)置了獨(dú)立的小型應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)，大大提高了輔助(應(yīng)急)給水的可靠性。即使失去所有蒸汽發(fā)生器給水，低壓安注泵可以從安全殼內(nèi)的換料水箱吸水向反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)注含硼水，并通過手動(dòng)打開穩(wěn)壓器的排放裝置，實(shí)現(xiàn)冷卻劑到反應(yīng)堆堆芯的注入和排放功能，導(dǎo)出反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的余熱。

      ③安全殼噴淋泵連續(xù)運(yùn)行不切換，安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)和低壓安注泵(由于兼作余熱導(dǎo)出泵)在事故狀態(tài)下導(dǎo)出大量來自堆芯的熱量，大大減少了安全殼失效的風(fēng)險(xiǎn)。

      (3)嚴(yán)重事故預(yù)防措施。

      ①采用堆坑充水技術(shù)，在事故狀態(tài)下帶走壓力容器外部的熱量，同時(shí)堆芯儀表測(cè)量貫穿件安裝在壓力容器的頂部，降低了壓力容器底部熔化的可能性。

      ②在反應(yīng)堆出口溫度》600℃時(shí)，打開穩(wěn)壓器卸壓閥，可以預(yù)防高壓熔堆。

      ③設(shè)置了非能動(dòng)氫氣復(fù)合器，可以避免氫氣爆燃引起的安全殼超壓失效。

3．2  經(jīng)濟(jì)性好

      CPRl000核電廠采用14英尺(約4．27m)熱量組件以后，線功率降低，增加了反應(yīng)堆安全裕量，必然提高了核電廠的可靠性，同時(shí)設(shè)計(jì)壽命由40年提高到60年，經(jīng)濟(jì)性會(huì)得到顯著提高。

      (收稿日期：2007-10-23)