俄罗斯模块化铅铋冷快堆技术特点及其安全特性

NuclearScienceandTechnology核科学与技术,2016,4(4),103-111PublishedOnlineOctober2016inHans.://dx.doi.org/10.12677/nst.2016.44013文章引用:刘泽军,郑颖.俄罗斯模块化铅铋冷快堆技术特点及其安全特性[J].核科学与技术,2016,4(4):103-111.:Oct.5th,2016;accepted:Oct.25th,2016;published:Oct.28th,2016Copyright©2016byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).俄罗斯模块化铅铋冷快堆技术特点及其安全特性刘泽军1，郑颖21环境保护部核与辐射安全中心，北京2中国原子能科学研究院，北京OpenAccess刘泽军，郑颖104收稿日期：2016年10月5日；录用日期：2016年10月25日；发布日期：2016年10月28日摘要目前大部分反应堆都是热中子反应堆，但快中子反应堆是现代核电技术发展的一个重要组成部分。铅冷快堆是作为四代核电的一个重要选项，本文详细介绍俄罗斯铅铋合金快堆装置SVBR-75/100的技术方案，包括主要系统，技术特性、设备布置、结构材料以及安全系统等相关内容，突出说明了模块化核电站概念及其优势。最后分析了其安全性。关键词铅铋合金，快堆，铅冷快堆，冷却剂，安全性1.前言各国实践证明，核能是安全、清洁、高效的能源。我国积极发展核能，有利于调整能源结构，保障能源安全，改善生态环境，促进科技进步[1]。但是我国铀资源并不丰富，在核电向成熟阶段发展道路上，不能简单地广泛使用当前占主导地位的压水堆技术。使用快堆技术能充分利用占天然铀99%以上的238U和地质储量丰富的232Th，可以使铀资源利用率由压水堆的1%左右提高到60%~70%[2]。因此引入增殖性能好的快堆电站是客观需要[3]，大力发展快堆及其闭式核燃料循环可以确保我国核能可持续发展，积极探索不同的核电技术。为了更好地实现2020年核电发展目标，并为2020年以后核电的可持续发展奠定基础，应当周全考虑二代改进型技术和三代技术各自的优势和劣势，把握好成熟性和先进性之间的关系，采取适当的策略和步骤，以实现我国核电建设又好又快又安全地发展[4]。但是从长远看来，核电成熟阶段的标志是：在完全闭式燃料循环总工作的快堆占主导；实践中解决长寿命放射性废物的处理问题；最高程度完全实现内部固有安全性原则；工艺技术上最高程度支持裂变材料不扩散机制[5]。美国、前苏联、英国等技术先进的国家，都曾大力发展了快堆的研究工作[6]。当前快堆发展的主流技术是钠冷快堆，包括俄罗斯的BN-600、法国的凤凰和超凤凰堆，以及中国的实验快堆。它们显著的一个特征就是采用金属钠作为载热剂带出堆芯热量。由于钠的化学活性，国际上还在探索另一种金属作为载热剂的快堆技术，比较典型的就是采用铅铋合金作为冷却剂的快堆技术。“第四代国际核能论坛”(gif)成员国和欧洲核能共同体倡议共同开发第四代核能系统，第四代核能系统包括气冷快堆、铅冷快堆、钠冷快堆、熔盐堆、超临界水堆和极高温气冷反应堆等六种堆型[7][8]。其中铅铋合金作为冷却剂的铅冷快堆是一种很有发展前景的先进动力堆型，用自然安全压水堆和BREST铅冷快堆两种堆型可以构建一个完整的现代核能体系，全面满足对现代核能提出的要求[9]。俄罗斯设计了SVBR-75/100型铅铋快堆，并以此为模块为基础完成了电功率为1600MW机组的核电厂概念设计。该项技术来自于俄罗斯50多年的核潜艇铅铋反应堆研发经验和实际运行经验，并结合俄罗斯国内钠冷快堆的建造和运行经验，以及重金属冷却剂在核潜艇和地面台架上的工艺和运行经验。铅刘泽军，郑颖105铋合金是最适合当前世界多数国家工业技术基础的新型冷却剂，铅冷快堆是有巨大市场潜力，模块化的设计可以满足边远厂址和中心城市电站两个方面需求的技术[1]。铅铋合金冷却剂为基础的模块快堆未来有可能在发达国家和发展中国家中得到大规模的实践运用。2.SVBR-75/100反应堆装置2.1.反应堆装置的技术方案SVBR-75/100反应堆装置是在核潜艇的铅铋冷反应堆装置上发展而来的，同时在可靠性和安全性上有进一步提高。SVBR-75/100反应堆装置设计中实现了以下主要方法和技术方案：一回路设备单体(一体化)布置，池式结构，完全取消了阀门和铅铋冷却剂管道(整体式反应堆)；使用两个环路的导热线路图；正常运行系统和安全系统的集成最大化；冷却剂在导热回路中的自然循环足够用于冷却反应堆，不会产生堆芯危险过热；具有保护容器的反应堆单体机组布置在充有水的非能动导热系统罐中，该罐还具有中子屏蔽功能；在不改变反应堆结构和满足安全要求时可以使用各种类型燃料(氧化铀燃料，带钚的MOX燃料，带次锕系元素的混合氧化物燃料-TRUOX燃料和氮化物燃料)；单体机组主要部件采用模块结构，单个模块且具有可更换和可维修能力；单体机组的小尺寸特性允许完全在工厂制造好并运送到核电厂厂址，或者从核电厂厂址上移除。图1中给出了SVBR-75/100反应堆装置的原理图。图1中给出了SVBR-75/100反应堆装置的主要系统，因此该装置的构成如下：一回路系统，包括堆芯、蒸汽发生器模块、主泵和堆内辐射屏蔽，位于反应堆单体机组容器中。二回路系统，包括蒸汽发生器模块，给水和蒸汽管道，汽水分离器和独立冷却冷却器。保护气体系统，包括气体系统冷凝器，膜保险装置，卸压装置和管道。蒸汽加热系统，用于反应堆中充入冷却剂前的预热，并可维持反应堆单体机组在热状态下。该系统主要指位于反应堆单体机组主容器和保护容器中间的空间系统，沿该空间唧送热蒸汽。冷却剂工艺系统，包括铅铋合金的充排系统、净华系统和在线监测系统，运行中主要用于维持堆芯中铅铋冷却剂的质量，避免结构材料腐蚀。安全系统，包括反应堆事故保护系统、蒸汽发生器泄漏抑制系统、独立冷却系统和非能动余热排放系统。除反应堆事故停堆系统-АЗ外，其他系统如蒸汽发生器泄漏抑制系统，独立冷却系统和非能动余热排放系统都包含有正常运行和事故预防功能。此外，SVBR-75/100反应堆装置还包括燃料处理系统，它包括将乏燃料运至含有铅的密封盒和安装带新燃料的堆芯新吊篮的成套设备。2.2.SVBR-75/100反应堆装置的主要技术特性SVBR-75/100反应堆装置的主要特性参数见表1。2.3.SVBR-75/100反应堆装置的设备布置和流程SVBR-75/100反应堆装置的主要设备位于高11.5m的密封包容小室内(图2)，该小室下部形成了一个用于放置非能动余热排放系统(СПОТ)罐的混凝土堆坑，反应堆单体安装在小室中并固定在罐顶盖的支撑环上。非能动余热排放系统(СПОТ)罐体内也布置有12个竖直布置的热交换器，用于完成从非能动余热排放系统(СПОТ)罐的水中向中间回路水的热传递。刘泽军，郑颖106Table1.MaincharacteristicparametersofSVBR-75/100reactor表1.SVBR-75/100反应堆装置的主要特性参数参数数值规定热功率，MW280*电功率，MW101.5*产汽量，t/h580*蒸汽参数：-压力，Mpa-温度，℃9.5*307*给水温度，℃241*一回路温度，℃-堆芯出口-堆芯入口482*320*堆芯尺寸，D*H，m1.645×0.9堆芯平均体积强度，kW/dm3140*燃料棒平均线性载荷，kW/m~24.3*燃料：-类型-U-235的装入量，kg-U-235的平均富集度，%UO2~1470*16.1*堆芯寿命，千有效小时~53换料间隔，年~8蒸汽发生器数量2蒸汽发生器模块数量2×6主泵数量2主泵电机功率，kW450主泵扬程，MPa~0.55一回路冷却剂体积，m³18反应堆容器尺寸，mφ4.53×6.92*该特性参数可以根据实际情况进行调整。Figure1.СВБР-75/100reactor图1.СВБР-75/100反应堆装置刘泽军，郑颖107Figure2.SVBR-75/100reactorequipmentarrangement图2.SVBR-75/100反应堆装置设备布置汽水分离器以及相连的冷凝器在结构上不属于反应堆单体机组，汽水分离器选择高于反应堆标高布置，是为了保证二回路冷却剂在反应堆装置所有运行工况下有必要的自然循环。为了进行安装、维修、保养和换料，每个反应堆装置上面设置有人孔，人孔的设计要考虑自身能承受的最大负载。一回路系统的所有设备位于反应堆容器内。中央部分是堆芯，并布置有可抽取部分(带堆芯的吊篮、控制机构和屏蔽塞)，堆芯外围是堆内辐射屏蔽、蒸汽发生器模块和主泵(图3)。一回路系统设备之间冷却剂的水力分配形成了两条冷却剂循环线路——主循环线路和辅助循环线路，水力分配完全在反应堆单体机组容器内由堆内部件形成，整个系统不使用管道和阀门。主循环线路流程：冷却剂在堆芯内被加热，进入平行接入的12个蒸汽发生器模块的管间腔室中间部分入口；然后冷却剂分成两流：管间腔室的一股自下而上移动，进入外围缓冲腔室，具有“冷”冷却剂自由液位；另一股自上而下移动，进入出口腔室，从出口腔室进入堆内辐射屏蔽通道，然后向上冷却堆内辐射屏蔽，并进入外围缓冲腔室。主冷却剂流从外围缓冲腔室在下降环形通道内沿反应堆单体机组容器经过进口腔室流向主泵吸入口。另一部分冷却剂沿着由容器和主泵轴形成的环形通道进入主泵吸入口。冷却剂从主泵出口沿着堆内辐射屏蔽下部区域中形成的两个通道进入分配腔室，从分配腔室冷却剂进入反应堆入口腔室，以此构成主循环管道回路。主循环线路在反应堆单体机组上部和蒸汽