基于AP600的AP1000设计

1、核核电电厂厂核核反反应应堆堆基于 AP600 的 AP1000 设计【美国核新闻2004 年 11 月刊报道】美国西屋公司（Westinghouse）的 AP1000于 2004 年 9 月 13 日获得美国核管会（NRC）的最终设计批准书（ FDA）。虽然 AP1000 是第 4 个获得 NRC FDA 的反应堆设计，但它是第一个可与低价燃天然气和燃煤电厂竞争的 FDA 设计，也是第一个以此为目的开发的三代半反应堆设计。本文将介绍 AP1000 获得 FDA 的重要性，并对 AP1000 的设计特点进行简要介绍。设计批准书的重要性FDA 的发放表明 AP1000 的技术审查已取得圆满成功，并

2、意味着在世界上任何承认 NRC 审批规程的地区，AP1000 设计现在可以作为建造和运行许可证申请的参考设计。 AP1000 是一种高度简洁、依赖自然力保护公众不受非正常或事故损伤的设计。虽然这种设计以压水堆（PWR）数十年的成功运行经验为基础，但其特殊的“非能动”安全系统得到了 Westinghouse 和 NRC 的完整测试、分析和详细检查，确保了其有效性。计算机程序的测试与分析早在向 AP600 发放许可证时，NRC 和Westinghouse 就一致同意实施一项测试计划。AP600 的巨大安全裕度可归结于其非能动安全系统对事故的良好预防性能。为了建立对非能动安全系统的信心，Westin

3、ghouse按照 NRC 的有关规定实施了一项广泛的AP600 测试计划，其中包括对非能动安全系统进行独立和整体测试。关于验证 AP600 标准设计的最终安全评价报告对相关测试结 果 进 行 了 汇 总 。 通 过 这 些 测 试 ，10Westinghouse 已开发出相应的计算机分析程序，可以准确预知非能动安全系统对设计基准事故和超设计基准事故的预防性能。Westinghouse 已经评价了将 AP600 测试放大到 AP1000 的可行性，并将研究结果作为 AP1000 设计证明材料的一部分提交给NRC。评价结果表明，从 AP1000 设计和运行特点可以断定，AP1000 的安全特征以及

4、各种安全特征间的互依效果与 AP600 十分相似，这使得 AP600 的测试数据在很大程度上能够满足 NRC 审查 AP1000 的有关要求。因此，Westinghouse 用于对 AP600 进行有效性分析的程序，在仅需要增加极少测试的情况下，就足以满足 AP1000 设计审查中的事故分析要求。AP1000 的独特之处AP1000 在技术、安全系统、建造与施工进度 3 个方面具有独特之处。在“简洁性”原则的指导下，AP1000 具有很强的经济竞争力。技术从历史发展来看，随着新系统设计和许可证要求的增加，电厂设计变得越来越复杂。但 Westinghouse 在设计过程中一直将简洁性原则摆在首位

5、，并考虑了可施工性、可操作性和可维护性。为了尽可能将各种因素都考虑在内，由运行核电厂的电力公司提出 AP600 和 AP1000 的设计要求，由电厂运营者和服务商审查电厂布置和部件位置/环境，并确定超出安全裕度的运行裕度。与现有 PWR 相比，最后得出的设计既简洁又稳健。图 1 比较了 AP1000 和一台参考 PWR&国外核新闻 2004.12核核电电厂厂核核反反应应堆堆抗震建筑电缆减少阀门减少泵减少管道减少减少70%50%35%80%45%图 1AP1000 的非能动安全系统大幅减少了部件和物项数量机组的部件数量，突出显示了 AP1000 的简洁程度。在减少部件数量的同时，电厂安全性也得到

6、了提高。安全系统新一代核电厂的简洁设计导致了“非能动”安全系统概念的产生。Westinghouse 不再依赖较复杂的旋转机械、柴油发电机、阀门、附属支撑系统与构筑物，而是开发出能够利用重力、蒸发、冷凝和自然循环等自然力的安全系统。AP600 和 AP1000 的安全系统包括非能动安全注射、非能动余热排出和非能动安全壳冷却。所有这些非能动系统都符合 NRC 的单一故障标准和其他最新标准，包括从三里岛事故得到的教训、待解决的安全问题和一般性安全问题。采用非能动系统以及成熟部件不仅增加了安全性，提高了公众对核电的接受度，而且还推动了许可证的发放。这两种设计全面简化了电厂系统、设备、运行和维护。电厂系

7、统的简化与巨大的运行裕度相结合，大幅减少了操作员在事故期间需要采取的行动。非能动系统仅需要使用自然力和压缩气体 日常生活所依赖的简单物理法则。安全系统没有泵、风机、柴油机、冷却器或其他旋转机械，无需与安全相关的交流电源。从 AP600 到 AP1000，安全相关系统的简化不仅没有降低电厂的设计与安全裕度，而且还提高了电厂功率。由于没有安全相关泵，因此只需通过加大管道尺寸就可增加流量。还可通过加大水箱尺寸增加水体积。而这些增加都是在保持电厂占地面积不变的情况下取得的。表 1 对 AP1000 和典型现役核电机组的安全裕度进行了比较。自从 AP600 计划启动以来，设计人员一直在设计工作中采用概率

8、风险分析（PRA），而不是仅在安全分析中使用 PRA。AP600 设计共实施了 7 项主要的 PRA 量化，在每项量化中，要针对潜在的设计改进审查 PRA 结果。AP1000 的 PRA 结果显示，AP1000 堆11&国外核新闻 2004.12核核电电厂厂核核反反应应堆堆芯损坏频度为 410-7，远低于电力公司要求的 110-5、现役核电机组的 510-5、以及 NRC 的安全目标 110-4。基于这项评价，NRC 的审查认为，AP1000 的安全性比现役核电机组高出 100 倍以上。这些突出的成果是通过简化安全系统取得的。表 1典型现役核电机组与 AP1000 设计的安全裕度对比典型电机组

9、AP1000偏离泡核沸腾比（ DNBR）限值的流约 15约 19%量损失裕度给水管线破裂欠热裕度0 约 78 蒸汽发生器破裂要求操作员在 10 分钟内采取无需操作员采取措施措施小规模失水事故（LOCA）3 英寸 LOCA 堆芯暴露；燃料8 英寸 LOCA；没有堆芯暴露包壳最高温度约为 815 发生大规模 LOCA 时的燃料包壳最11001200 1165 高温度，带有不确定性建造与施工进度如前所述，AP600 和 AP1000 将可施工性作为一项考虑因素。AP600 和 AP1000 的建造成本和建造周期直接受益于设计的大幅简化及其模块化设计。这两种反应堆从一开始就采用了在最大程度上实现模块化

10、的设计思想。它们采用了三类模件：结构性模件、机械性模件和管道性模件。这些模件首先在工厂里制造，然后再运至电厂相应的施工区，组装成更大的模件，最后按照需要进行吊装（见图 2）。AP600/AP1000 由大约 300 个模件组成，具有以下优点： 缩短了工期；模件的铁路/公路运输模件的工厂制造现场组装模件电厂订单厂址勘测厂址建设电厂运行时间图 2AP1000 电厂模件的并行建设有助于缩短工期12&国外核新闻 2004.12核核电电厂厂核核反反应应堆堆1. 安全壳/屏蔽厂房2. 控制室3. 辅助厂房4. 燃料室5. 汽轮机厂房6. 放射性废物厂房7. 辅助停堆厂房8. 柴油机厂房9. 燃料油仓库10

11、. 备用最终热阱11. 循环水泵房12 附加厂房13. 厂用水冷却塔塞兹韦尔 BAP10001E 级电缆隧道隔离室图 3AP1000（右）与塞兹韦尔 B 机组设计（左）对比显示：AP100 更小、更简洁 减少了现场人力； 增加了工厂作业（可获得更好的质量控制）； 减少了厂区的拥堵现象。Westinghouse 吸收了各国大量设计参与者的建议，耗时 8 年为 AP600 机组制作了一个详细的三维计算机模型。 在此期间，Morrison-Knudsen（目前已成为华盛顿集团（Washington Group）的一部分）还凭借其施工经验和电厂知识为 AP600 机组的建设制订出一份详细的施工进度安排

12、。这份施工进度安排以“合理”为出发点，施工活动都采用行业标准期限。施工进度以每周工作 5 天共 50 小时为基础。结果表明，从灌注地基混凝土开始到反应堆首次装料，只需 36 个月。后来，施工进度被视为一个时间函数并入了三维模型中，使其变成四维模型。专家在运用这个四维模型对 AP600 施工进度进行分析后表示，36 个月的施工周期至少还可以再缩短 4 个月。这项研究也增强了那些担心进度可行性和电厂最终成本的潜在投资商的信心。对 AP1000 来说，需要对 AP600 的气轮机厂房进行重新设计，以便能容纳更大的气轮 机及其辅助系统。 在尽可能多地保留AP600 设计的同时，AP1000 要求在厂房

13、尺寸、地基、钢架结构和结构模件方面进行改造。在最初进行技术修改时，专家们利用四维计算机模型的可视化功能对修改后的设计进行了审查。AP1000 的另一处改进是安全壳下方混凝土内的加固结构，这个大型模件可对安全壳下方的混凝土起到加固作用。在该模件的最初设计中，100 ft 高的环形通道与加强构件采用了“留在原地”式设计。后来，日本设计师 Obayashi 对这种设计进行了修改。新设计没有使用“留在原地”式方案，而是为13&国外核新闻 2004.12核核电电厂厂核核反反应应堆堆浇灌混凝土提供了更便利的通道，并为可施工性提供了更多的设计简化。最后，在可施工性基础上，对 AP1000 的该部分结构进行了

14、改进，并进一步明确了施工步骤。这也进一步增强了人们对 AP1000 施工进度安排的信心。经济性据估计，与目前的渐进式 PWR 机组相比，AP600 的简化相当于降低了 20%30%的建造成本。基于详细的设计资料和 1900 种共计 2.5 万多个具体物项的直接报价，确定了 AP600 详细的建造成本。PWR 机组的发电成本主要取决于建设成本（70%），而如上所述，AP1000 的建设成本已大幅下降。燃料和运行及维护（O&M）成本将占总成本的 30%。AP1000 由于采用了简洁设计并使用成熟部件，因此降低了 O&M 成本，并大幅减少了需要进行计划或非计划维护、在役测试和检查的部件数量，因此也减

15、少了员工数量。AP1000 的电力生产部件也采用了成熟部件，都具有可靠性记录，因此 AP1000 的利用率可根据以往的经验进行预测，而不是臆测。现役核电机组正在达到并超越 93%的利用率，因此凭借其成熟部件、设计简化、性能裕度和现有经验，AP600/AP1000 机组应能达到更高的利用率水平。经过计算，AP600 机组的发电成本为4.14.6 美分/kWh。由于建造成本增幅小而净功率增幅大，AP1000 双机组电厂的发电成本降至约 3.03.5 美分/kWh。为了完整地评价简化对电厂设计的影响及其产生的良好经济性，需要将 AP1000 与一座现役 PWR 机组进行对比。图 3 对英国能源公司（

16、British Energy）的赛兹韦尔 B14机组（1188 MWe PWR）与 AP1000 进行了比较。虽然塞兹韦尔 B 的输出功率稍大，但其尺寸却比 AP1000 大得多，因此要花费更多维护与运行费用。就尺寸大小来讲，塞兹韦尔 B 是当今现役反应堆的代表。按单位输出功率计算，AP1000 的部件和物项都大幅减少、厂房也更小。另外，电厂越简洁，运行维护也越容易，经济性也越好，因为部件更少。总之，在提高电厂安全性的同时， AP1000 在设计和经济性上也取得了突破，并获得了 NRC 的最终设计批准书。简洁而成熟的设计当 AP600 在 1999 年获得 NRC 设计批准书的时候，它成为惟一

17、获得西方或亚洲国家许可、并采用了非能动安全技术的核反应堆设计。虽然 AP600 达到了包括成本目标在内的美国电力公司的要求，但是 Westinghouse承认，AP600 还不具备与低价天然气（约 3.5 美元/MBtu）相抗衡的市场竞争力。因此， Westinghouse 着手开发 AP1000，它运用规模经济效应将发电成本降至 3.03.5 美分/kWh，具备了与 3.50 美元/MBtu 的天然气相竞争的能力，而目前的天然气价格为 46 美元/MBtu。表 2AP1000 的部分参数净电功率1117 MWe反应堆功率3400 MWt热管段温度321 （610 ）燃料组件数量157燃料组件

18、类型1717燃料活性长度4.3 m（14ft）线性热功率5.71 kW/ft控制棒/灰吸收棒53/16反应堆容器内直径399 cm（157 in.）容器流量68.1103 m3/h（300103 gpm）蒸汽发生器表面积11 600 m3（125 000 ft3）稳压器体积59.5 m3（2100 ft3）&国外核新闻 2004.12核核电电厂厂核核反反应应堆堆AP1000 采用了经过业界验证的部件（见表 2）。它独特的简化安全系统已经被制成模型并经过检验。NRC 表示，在其许可的计划中，AP600/AP1000 的测试计划是最完整的一个。AP1000 设计简洁而成熟，其使用自然力保护电厂的概

19、念是具有革命性的，采用的部件也是经过验证的。设计简化使 AP1000 具有在美国开放的电力市场上参与竞争的能力，而且由于已获得了 NRC 的设计批准书，因此已经做好了在不久以后建设首台机组的准备。（郭志锋 译伍浩松 校）列宁格勒1号机组在完成现代化改造后投入满功率运行【美国核子周刊2004 年 11 月 4 日刊报道】 在全面完成现代化改造之后，列宁格勒 1 号机组于 10 月 28 日投入满功率（1000 MW）运行。该机组 30 年的设计寿期已于 2004 年 1 月结束，一些人以此为依据反对继续运行这座最老的切尔诺贝利型 RBMK-1000 反应堆，但俄罗斯国家核监管部门 Rostekhnadzor 为该机组发放了继续运行的许可证。此前，普京已批准延长该机组寿期。在现代化改造完成后，该机组于 10 月 8 日达到临界。不过，两天后在新安装的辅助保护系统作用下发生了紧急停堆。工作人员在随后一周内找出并排除了故障，然后重新启动了反应堆。俄罗斯原子能电力公司（REA）的一个调查委员会得出的结论是，虽然目前已经证明新紧急停堆系统“过于灵敏”，但该系统并未偏离技术要求。在 REA