核电厂余热导出系统设计方案探讨

1、核电厂余热导出系统的设计探讨 -电气论文核电厂余热导出系统的设计探讨马飞（江苏连云港222000 ）【摘要】本文介绍了核电厂不同堆型中预热排出系统的设计特点，并分析了系统设置的主要差异，探讨更加有效的余热排出方式。关键词余热排出；堆芯冷却；核电厂余热；压水堆作者简介：马飞（1983 ），男，工程师，2005年毕业于西安交通大学电 气工程与自动化专业，现从事核电厂运行、调试工作，身份证号 3203231983*1234。0引言“余热导出功能”是核电站三大基本功能之一。压水堆启动、冷却、维修、换料等阶段的堆芯余热能否顺利导出是关系电厂安全的生命线。目前国内出现多种堆型并存的情况，它们的余热导出系统

2、设置各有其特点。1预热排出的必要性核电厂的热量是由核燃料铀的裂变产生，核燃料的可控裂变同时会产生裂变产物和中子俘获产物，这些物质在停堆仍会发生衰变，并放出热量。所以，在核 电厂反应堆停堆后，堆芯的衰变热在很长一段时间内仍存在，参照物理计算，大约需要1000小时的时间，衰变热占反应堆停堆前稳态功率的百分比才能降到 0.11%。这些堆芯余热需要及时排出，否则会聚集在堆芯引起温度升高，导致冷 却剂沸腾甚至堆芯融化的严重事故。2011年3月发生的福岛核事故就是因为停 堆后，堆芯热量不能导出，引发的反应堆堆芯裸露以及随后的燃料包壳损坏， 放 射性裂变产物向外界泄露。2不同堆型余热排出系统设置比较2.1余

3、热排出系统的使用阶段停堆初期，堆芯热量仍然通过蒸汽发生器传递给，依靠二回路蒸汽排出放到冷凝器。一回路温度压力下降到一定程度时，投入正常余热排出系统将反应堆冷却到冷态。下面对压水堆三代堆型（以 AP1000为例）、二代+堆型（以WWER 为例）、二代堆型（以M310为例）中余热导出系统的设置进行介绍和比较。对 于设计基准事故和超设计工况，一般依靠专设安全设施（安注系统等）来保证堆 芯冷却，不在此讨论。2.2 不同堆型的余热导出系统AP1000余热导出系统布置在安全壳外部，包括两个序列，从同一个一环路 热腿吸入冷却剂，经换热器冷却后直接送入堆芯，由4个安全壳隔离阀实现安全 隔离。这样的设计增大了安

4、全壳内的容积空间， 同时避免了事故情况下水泵被淹 没的风险，提高了可靠性。WWER余热导出系统布置在安全壳外部，包括 4个物理和逻辑相互隔离的 独立序列，正常情况下作为余热导出，事故情况下还兼作为安全壳喷淋使用。 管 线分别与一回路4个环路的冷热腿相连，分计划冷却和维修冷却两种工况，运行 方式非常多样化。M310余热导出系统布置在安全壳内部，两个并联序列，从反应堆冷却剂 2 环路热段取水，经过换热器冷却后通过安注箱的注射管线返回到 1、3环路的冷 段，满足单一故障准则。在2代、2代+压水堆核电厂中，余热导出系统被设计成为安全相关系统, 并执行安全相关功能；而三代堆型 AP1000中，余热导出系

5、统被设计成为非安 全相关系统，该系统的运行不是设计基准事故的缓解所必须的， 由此为简化设计 埋下伏笔。2.3 功能方面差异及分析共同点是：停堆时导出反应堆残余热量，并维持反应堆的冷却剂温度为冷态 温度；当主泵均未投入使用时，余热导出系统内的泵使冷却剂形成循环。不同的是：1) AP1000增设了非能动的余热排出换热器和堆内换料水箱，其余热导出系统可以给堆内换料水箱提供冷却， 在正常情况和事故工况，避免换料水箱内水 沸腾。其他两种堆型均无此功能。不过 WWER的余热排出系统提供了地坑循环 方式的余热排出方式。2) AP1000的余热导出系统可以在一回路自动降压后，从运输容器装载池取水向一回路提供补

6、给水，以防止第四级自动卸压阀门动作。WWER通过中压低压安注系统实现，M310无该项功能。3) AP1000的余热导出系统在LOCA事故的工况下，当以地坑再循环模式 进行自然冷却堆芯时，进行局部强制冷却循环，提高了堆芯安全冷却能力； WWER及M310依靠地坑循环水进行安全壳喷淋，可以通过余热排出换热器导 出安全壳内热量，冷却效果略逊。|4) 电源安全性方面，WWER采用4通道独立蓄电池和柴油机保证余热排出 系统的运行，M310采用两个序列，AP1000由于其非安全相关没有采用安全级 电源。可以看出第三代堆型，以其先天的优势，在很多方面处于领先地位；但不可 否认，WWER等2代+由于其多冗余的

7、安全设计，更能保证余热排出系统的运 行，防止正常情况下失去一回路热井。2.4 布置特点及分析1) 布置方面是换热器的旁路流量调节方式不同：AP1000共两列，在每台换热器上并联一条设有调节阀门的管线来调节；WWER与此类似，但有四个独立系列，管线布置更独立；M310在2台换热器吸入口母管和排风管之间并联一 条管线调节两个换热器流量，两个系列管线之间共用母管。M310中当停堆过程需要控制降温速度时，通过调整流量调节阀门，可以同 时相同程度地调节流经每台换热器的流量， 但公共入口母管的设计会影响到系统 安全性，增加公因故障的几率； WWER中，4个安全系列对每个余热导出系统 的旁路流量可以分别调节

8、，控制冷却速度；AP1000功能设置跟 WWER相似，但只有两个序列。从这方面讲，M310应该是很简化的配置，减少了阀门数量， 也简化了操作，但不能单独调节每一个序列的流量， 操作灵活性不如其他两种堆 型。AP1000应该达到了一个功能和造价的均衡。2) AP1000的余热排出有其独到之处：系统与压力容器热管段接管座呈渐缩型管嘴，这样设计好处是相对于没有渐缩的管嘴， 增大半管运行工况下泵入口 汽蚀余量的安全裕度；余热导出泵入口管线设计成“自排气”管线，从泵入口到主环路热段有一个持续向上的坡度，没有局部高点，这样当泵充满后热管达到一 定液位即可启动，不用以往的重新排气。2.5 设备组成WWER有4个序列，AP1000和M310都是2个序列，而且 AP1000余热导出设备是非安全级的，而 WWER和M310均是安全级的。由此对比第三代AP1000制造成本会明显低于较老期的堆型。3结论通过比较分析看出，随着堆型和理念的不断进步，设计也更加合理更加趋于安全。余热导出系统的设计差异主要取决于堆型的设计理念。由于三代堆非能动理念的引入，使得余热导出系统安全级别降了一级， 使得在保证其功能的情况下 设备简化很多，并使得事故情况下的余热导出更好。 希望新技术能尽快得到圆满 验证，造福