经济简化型沸水堆-ESBWR

经济简化型沸水堆—ESBWR郭娟彦（苏州热工研究院有限公司江苏苏州215004）摘要：经济简化型沸水堆（ESBWR）是通用电气（GE）公司最新开发的沸水堆，其吸收了已有先进反应堆和简化型沸水堆的技术，采用非能动安全设计，大大简化了系统结构，并实现了经济规模，是沸水堆技术的一大发展。ESBWR采用全自然循环，取消循环泵，堆芯上方设置烟囱增加驱动压头；缩短燃料长度，减少压降；采用控制棒微动电机和水力双重驱动，增加功率调节的机动性和停堆可靠性；使用大直径的压力容器，保证事故时堆芯淹没；非能动的安全壳冷却系统可去除冷却剂丧失事故中由堆芯衰变热产生的蒸汽；重力驱动冷却系统向反应堆提供低压补给水；隔离冷凝器去除堆芯衰变热。这些设计特点在增强系统性能的同时保证了足够的安全裕度。此外独有的一系列严重事故预防和缓解措施保证了ESBWR的安全性。关键词：ESBWR自然循环非能动安全系统Abstract:TheEconomicSimplifiedBoilingWaterReactor(ESBWR)designisanevolutionarystepinboilingwaterreactordesign,whichhasmajorsimplifyingimprovementsdrawnfromfeaturesofAdvancedBoilingWaterReactor(ABWR)andSimplifiedBoilingWaterReactor(SBWR)andpassivesafetysystems.IntheESBWR,theuseofnaturalcirculationhasallowedtheeliminationofrecirculationpumps.Theuseofchimneyenhancesthedrivingheadfornaturalcirculationflow.Theuseofshorterfuelresultsinareducedcorepressuredrop.Thecontrolrodscanbeinsertedeitherbyhydraulicallyorelectrically.Electronicfinemovementcontrolpermitssmallpowerchanges,improvespowermaneuveringandprovidesahighdegreeofassuranceofrodinsertion.Largevesselprovideslargewaterinventory,makessurethewaterlevelalwayscoversthecorefollowinganaccident.ThePassiveContainmentCoolingSystem(PCCS)providescontainmentdecayheatremoval.Thelowpressureinventorycontrolsystem—theGravityDrivenCoolingSystem(GDCS)canprovidelowpressuremakeupwaterflowsintothevesselbygravity.Theisolationcondensersystemcantransferdecayandresidualheatfromthereactorduringandfollowingtransientevents.Allthefeaturesaboveresultinasubstantialenhancementoftheoverallplantperformancewithsufficientsafetymargins.Besides,13featuresareinvolvedforsevereaccidentspreventionandmitigation.Keywords:ESBWRNaturalcirculationPassivesafetysystem0.前言近十多年来，世界核电技术发展进程加快，核电站设计酝酿新的突破。目前，全世界有442台运行核电机组，另有9台机组正在建设之中。世界核电经历了从第一代到第四代技术的发展，40多年来，核电技术的先进性、安全性、可靠性和经济性已经得到了长足的进展。我国核电在未来30年内将有一个长足的发展。经过了探索阶段、小批量建设、适度发展等不同发展历程以后，如今核电在中国已经进入了一个心得发展高潮期。根据国家发改委制定的计划，2020年我国核电装机容量计划达到4000万千瓦；2035年，争取核电在全国发电总量中的份额达到16%（为当前的世界平均水平），实现新的跨越。在新的核电形势下，国内在积极推动新核电项目建设的同时，考虑到今后的发展需要，在研究开发先进的核能系统方面也紧跟世界的潮流，使我国也进入核电技术的先进行列。结合当前国内的实际需要，重点掌握第二代改进型技术，CNP1000和CPR1000等堆型便应运而生，同时积极跟踪国际第三代核电技术，中国正在就第三代核电技术进行招评标，美国西屋公司的AP1000和法国阿海珐集团的EPR是候选堆型。AP1000和EPR是典型的第三代压水堆。继第三代（Gen-III）先进轻水堆电站问世以来，又有第三代创新型（III+）核电站设计出台，由美国能源部牵头的第四代国际论坛（GIF）已经开始了第四代先进核能技术的研究开发。目前被选入第三代创新型的典型堆型有六种：IRIS、SWR1000、PBMR、ESBWR、ACR1000和GT-MHR。它们都被美国能源部入2010核能推广倡议计划。其中，第三代革新型先进高温气冷堆电站和第四代（Gen-IV）热中子超临界水堆的研发设计非常引人注目，让人们看到了更简单、热效率更高、安全性和经济性更为满意的新型核电站。随着它们投入商业运行，将会掀起世界核电发展的新浪潮。同时作为轻水堆的ESBWR也是一种具有较好前景的反应堆，这是在ABWR基础上的有一个改进。虽然目前中国主要集中于压水堆路线，对引进沸水堆暂时未列入议程，但今后仍不失为一种有希望的核电站。在对ESBWR相关技术资料消化分析的基础上，同时结合先进沸水堆ABWR技术的运行经验，本文将简单介绍经济简化型沸水堆的技术特点，在本次中国电机工程学会核能分委会学术年会上供各位专家参考。1.概述经济简化型沸水堆（ESBWR）是GE公司在简化型沸水堆（SBWR）的基础上开发出来的自然循环型沸水堆。它以670MWe的SBWR为原形，使用自然循环、非能动安全系统，并结合了先进沸水堆（ABWR）中的技术。设计开始于90年代早期，在2005年8月提出设计认证申请，预期将在2009年3月前后获得设计证书。与压水堆相比，沸水堆取消了蒸汽发生器，从而避免了蒸汽发生器故障引起的事故，使电厂运行的可靠性大大提高；堆内压力较低，从而金属耗量少，使经济性得到提高；堆芯内有空泡，反应堆具有负的空泡反应性系数，具有较好的控制调节性能。ESBWR除了具有以上沸水堆的优势外，还结合了先进沸水堆和简化型沸水堆的技术特点，通过增强自然循环、采用非能动安全系统、减少材料消耗、采用模块化系统等途径，缩短了建设周期，减少了电厂投资、简化了费用，使其可靠性和经济性均得到了较大的改善。表1ESBWR设计特点主要改进具体描述设计特点更大的安全裕度保证堆芯淹没瞬态期间无释放阀开启水装量大，在堆芯以下无大管径开口压力容器长简化设计减少系统，简化结构简化操作非能动安全系统取消循环泵增加灵活性增加性能裕度针对大部分厂址的通用设计大体积的压力容器/非能动系统不受厂址的限制经济建设成本低扩建成本低许可证和首个电站成本运行/维修成本减少所需材料和厂房采用ABWR/SBWR特征经测试的新组件减少和简化系统表2为ESBWR和ABWR及SBWR的比较。表2ESBWR与其他类型反应堆的堆芯比较参数ABWRSBWRESBWR功率（MWt）392620004500功率（MWe）13506701560压力容器直径（m）7.16.07.1燃料棒束数目8727321132有效燃料高度（m）3.72.73.0功率密度（kW/l）514254CRDs数目2051772692.ESBWR描述ESBWR热功率为4500MWt，电功率为1540MWe，使用自然循环和非能动设计达到改善系统性能和简化结构的目的。压力容器结构见图1。图1ESBWR压力容器结构反应堆回路全部布置在一个压力容器内，压力容器高27.56m，直径7.1m，堆芯布置在压力容器的下部。堆芯有效高度为3.05m，燃料组件为GE1410×10方形组件。堆芯采用F型栅格设计，每16个燃料组件的中心有1根十字形控制棒，其宽度为普通BWR的2倍。堆芯内共有1132根燃料棒，269根控制棒。为了增加自然循环的驱动压头，在堆芯上部设置有“烟囱”，为1个不锈钢圆柱筒，两端开口，长8.61m，内部被分隔为若干小烟囱段，每16个燃料组件共用一个烟囱段，从而增强流动的稳定性，并避免冷却剂的交叉流动。烟囱上方为汽水分离器和蒸汽干燥器。冷却剂由给水管嘴进入压力容器后，沿着堆芯围筒和压力容器之间的环形区域下降段向下流至堆芯底部，再转而向上流过堆芯，进入烟囱段。堆芯出口饱和蒸汽的质量比约为14%。流过烟囱的汽水混合物进入固定式轴流旋叶汽水分离器和波形板干燥器，经过干燥后的蒸汽湿度可降低至0.1%以下。由汽水分离器和干燥器分离出来的饱和水与给水混合。图2反应堆内的自然循环过程蒸汽由4条主蒸汽管线送往汽轮机，推动汽轮机发电，凝结水经过多级回热器加热后返回压力容器，完成一次循环。3.ESBWR特点3.1燃料元件ESBWR燃料元件为GE14型10×10燃料组件，包括92根燃料棒、2根粗水棒和6根定位棒。燃料棒有效长度为3.05m。在92根燃料棒中有14根短燃料棒，长度为有效燃料长度的2/3。使用短燃料棒可增加高含汽区的流动面积，减少压降，增强自然循环流动。3.2压力容器由于采用自然循环，ESBWR取消了原有BWR循环中使用的一些安全相关系统及配套的大口径管道，因此在压力容器堆芯区域高度内无贯穿压力容器的大直径开口，大大提高了系统的安全性。自标高0m至燃料高度以上3m的范围内，所有直径大于50mm的贯穿RPV的喷嘴均设计为文丘里管形状，可在管道破口事故中尽量减少水装量的丧失。压力容器高度由SBWR的24.4m增加至27.6m，同时直径与ABWR相同（7.1m），保证了较大的水装量，使得在设计基准事故后的泄压过程中能保证堆芯始终淹没。高度为8.6m的烟囱，增加了自然循环的驱动压头，烟囱高度与SBWR（6.0m）相比也有增加，从而增大了堆芯流量，实现较低的功率/流量比，增加了反应堆的稳定性。3.3控制棒驱动系统在ESBWR中使用电力和水力双重驱动。由电机驱动的微动控制棒系统控制正常工况下控制棒的抽出和插入，异常工况下的紧急停堆则由水力驱动机构实现控制棒快速插入堆芯。在正常工况下，位于控制棒驱动装置下部的电机旋转，与其相连的螺栓和螺母随之转动，推动螺母上的空心活塞及其上的控制棒运动。使用电机驱动控制棒微动，允许小的功率变化，改善了功率调节的机动性。在紧急停堆时，由水力驱动单元向驱动注入高压水，推动控制棒快速插入堆芯。每个水力驱动单元驱动2个驱动。在水力驱动启动的同时，电机驱动也启动，为控制棒插入堆芯提供了双重保险。此外，控制棒水力驱动子系统还可在给水系统失效时向反应堆压力容器高压注入补给水。系统由低水位信号自动启动，2个CRD泵同时开启，将冷凝水蓄水池中的水加压后由给水管嘴流入反应堆。与传统的BWR相比，ESBWR的控制棒驱动系统有以下特点：1)正常工况下使用电力驱动控制棒微动控制，功率变动幅度小，驱动机构启动快，加强了功率调节的机动性；2)控制棒驱动方式多样化。在紧急停堆时，同时启动水力和电力驱动，实现了控制棒插入的高可靠性；3)反应堆紧急停堆、高压水注入等均实现自动化；4)FMCRDs可多组同时操作，节省了反应堆的启动时间。图2FMCRD结构3.4专设安全设施专设安全设施的非能动性为ESB