快堆環路數的影響因素分析及CFR600環路數的確定

邰 永，余華金

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

1 快堆簡介

隨著社會的快速發展，能源短缺問題成為制約人們發展的重要影響因素之一。核能無疑是人類解決能源短缺問題最有效的手段之一。由于快堆具有增殖和嬗變兩大優勢，將成為我國發展第四代核反應堆的主力堆型。

與傳統的壓水堆不同，快堆主熱傳輸系統由3個環路組成，分別為一回路主冷卻系統、二回路主冷卻系統和三回路主冷卻系統。一回路主冷卻系統利用一回路鈉循環泵從主鈉池的冷鈉腔吸鈉，經一回路壓力管道將鈉送入柵板聯箱，冷卻燃料組件后流出堆芯進入熱鈉腔。

熱鈉從中間熱交換器殼程上方進口經管間向下流動，從下部出口流入冷鈉腔，然后由冷鈉腔被吸入泵進口。中間熱交換器為一、二回路的邊界。二回路主冷卻系統由二回路鈉循環泵驅動二回路鈉進入中間熱交換器管程，將一回路中的熱量帶出，再從中間熱交換器管程流出，通過鈉分配器后分為不同支路，經過熱器與蒸發器的殼程之后匯集進入鈉緩沖罐，然后回到循環泵。

蒸汽發生器為二、三回路的邊界。三回路主冷卻系統由主給水泵驅動三回路給水進入蒸汽發生器，將二回路中的熱量帶出到三回路，主給水經過蒸汽發生器后變為過熱蒸汽驅動汽輪機轉動進而帶動發電機發電。

圖1給出了池式快堆主熱傳輸系統的流程原理。

圖1 鈉冷快堆熱傳輸系統流程圖

在設計快堆的前期方案時，需要確定堆的總體參數。其中，環路數是一個重要的總體參數。雖然采用三回路的主熱傳輸系統的方案已經確定，但每個回路具體有幾個環路還是一個變數，它關系著堆容器的設計和堆內設備布置以及熱傳輸系統主要設備的性能參數及數量。所以，環路數的確定會影響到整個堆型的設計。

2 快堆環路數影響因素分析

2.1 影響因素概述

在確定快堆環路數時，先要考慮的因素就是反應堆的安全性。對于主熱傳輸系統來說，在反應堆正常運行時，主熱傳輸系統的環路要能夠將反應堆產生的熱量全部安全帶出發電。在反應堆關閉并且廠外電可用的情況下，主熱傳輸系統的環路要能夠將反應堆余熱安全導出。

對于致力于大規模商用的快堆電站來說，由于要同其他類型的電站競爭，經濟性顯得越來越重要。在保證反應堆能夠正常運行并保證反應堆安全性的前提下，減少環路數量能有效降低反應堆的建造成本。

另外，在完成相關工作時，還要考慮環路數對容量因數的影響。研究表明，采用最少的環路和設備數量能夠縮短系統和設備的維修時間以及備件更換時間。美國西屋公司和法國壓水堆的運行經驗表明，減少環路數量能夠增加容量因數。環路數的變化會影響環路中所有設備的規格、結構尺寸，甚至類型。在設計時，相關人員不僅要考慮到系統和設備的設計限值以及現有的加工制造能力，還需要考慮到建造時間，同時也要參考借鑒國外的先進設計理念等。

以上提及的因素有些會相互影響、相互制約，所以，在考慮環路數量時，不能只考慮某個因素而忽略其他因素的影響。下面的論述中將結合世界上典型快堆的環路設置對這些因素進行綜合考慮。

2.2 快堆環路數對比及其安全性、經濟性影響分析

快堆按照其功能、用途和功率的不同，可分為實驗快堆、原型快堆或示范堆以及商業快堆。表1給出了世界上主要發展快堆國家的相關快堆的主要總體參數[1-2]。

表1 快堆參數表

從表1中可以看出，二回路環路數是與一回路環路數相等的。從堆的冷卻安全要求出發，回路至少要有2條環路，這樣才能保證一個環路發生故障時，余熱能夠由另一條環路排出。雖然快堆大多有獨立的事故余熱排出系統，但邏輯上在廠外電源可用的情況下，應該用主熱傳輸系統來排出余熱。因此，為了保障反應堆的安全，至少2條環路是必須的，所以，各種堆型的環路數大多為2條、3條、4條。對于實驗堆，由于熱功率比較小，大多選用2條環路。而對于功率較大的示范堆和商業堆，2條、3條、4條環路的方案都有采用。BN-350擁有6條環路數，其中1條為備用環路。環路數過多，相應的系統設備也增多，廠房布置復雜，這會導致堆型的造價成本增加。后期，俄羅斯設計建造的快堆堆型摒棄了這種超多條環路的設計。

日本的JSFR-1500的熱功率達到了3 530 MW，但卻只選用了2條環路。選擇這樣的設計是出于節省建造成本的考慮。圖2為日本JSFR-1500的2環路和4環路方案的系統設備布置圖。從圖2中可以看出，2環路的方案比4環路方案的廠房尺寸能減少4 m的寬度，考慮到反應堆核島和常規島廠房多為高層建筑，2環路的方案能大幅減少土建成本，同時，采用2環路方案的系統設備數量要比4環路方案減少16%.在加工制造技術成熟的情況下，增大設備規模、減少設備數量無疑能減少反應堆的建造成本[3]。

印度對PFBR的初步經濟分析表明，2環路方案比3環路方案節省大約4%的投資成本，比4環路方案節省大約9%的投資成本[4]。

圖2 JSFR-1500兩種方案設計比較

2.3 環路數對系統管徑和管道流速的影響

在反應堆熱功率一定的情況下，減少主熱傳輸系統的環路數會導致管道內的鈉流速增大。由于主熱傳輸系統的鈉管道均為高溫管道，在高溫高速下，管道的材料腐蝕和質量遷移效應都會加快，同時，也會增加管道周期性熱疲勞的風險。在鈉管道的系統設計中，傳統的設計方法是根據系統流量和管道的經濟流速來確定管道的直徑。對于直徑超過450 mm的管道，經濟流速可以達到6 m/s左右。隨著材料和加工工藝的不斷進步，鈉管道所允許的流速有增大的趨勢，所以，印度學者就將PFBR的最大鈉流速限值提高到了10 m/s。

表2給出了部分快堆環路數與流體參數的情況。從表2中可以看出，除了CEFR外，二回路的主管道管徑均超過了450 mm。其中，CEFR和Super Phénix的二回路主管道冷熱段流速小于6 m/s的經濟流速，BN-800的二回路冷熱段流速雖然超過了6 m/s的經濟流速限值，但超出不多。而對于正處在建造和設計階段的PFBR和JSFR-1500，它們的二回路冷熱段流速均超過了6 m/s的限值，其中，JSFR的二回路最大流速達到了9.7 m/s。由此可見，隨著材料和制造工藝的不斷進步，涉鈉管道的流速在不斷增大。

表2 部分快堆流體參數表

表3 部分快堆單環路IHΧ數量表

2.4 環路數對設備設計、制造及主容器布置的影響

從設備的角度講，一回路的主要設備包括一回路鈉泵、中間熱交換器（IHΧ）；二回路的主要設備包括蒸汽發生器（SG）、二回路鈉泵、鈉緩沖罐和鈉分配器。對環路數影響較大的是SG、IHΧ和一回路鈉泵、二回路鈉泵。

從SG的角度分析，如果采用單環路只布置1臺設備的布置方式，那么，環路數量減小意味著單臺SG的功率和結構尺寸會有較大幅度的增加，這往往會導致設備制造成本的大幅增加，甚至有可能出現在現有技術水平下不能制造出滿足要求的設備的情況。或者在SG功率和結構尺寸確定的情況下，通過增加環路數來匹配SG的臺數，這樣布置的優點是設計簡單，不需要設置大口徑的鈉隔離閥；缺點是由于環路數過多，成本大大增加。這種方案不推薦采用。單環路只布置1臺SG的方案一般只適用于實驗堆。對于示范快堆和商業快堆，一般采用模塊式的布置方式。如果采用模塊式的布置方式，那么，SG的功率不需隨環路數的變化而改變，只需根據堆功率的大小配置足夠數量的SG即可，所以，環路數的變化對SG本身的設計制造來說并沒有較大的影響。對于IHΧ和一回路鈉泵來說，由于池式快堆的IHΧ和一回路鈉泵是布置在主容器內的，所以，IHΧ和一回路鈉泵的個數和尺寸直接影響到主容器的總體尺寸。表3為部分快堆單環路IHΧ數量，從中可以看出，除了采用回路式的JSFR-1500，其他池式快堆均采用每條環路配置2臺IHΧ的方案。采用1臺IHΧ，會因為單臺設備尺寸過大而導致主容器尺寸過大；而設置3臺IHΧ，會因為堆容器內設備數量過多導致主容器尺寸過大和布置困難。經驗表明，在設計堆容器尺寸時，IHΧ和鈉泵的外形尺寸為1∶2時能夠減小堆容器的尺寸，而采用2臺IHΧ最接近這種設計，所以，對于池式快堆來說，每條環路的IHΧ數量大多為2臺。

在單環路IHΧ數量確定后，減少環路數會導致單臺IHΧ換熱功率增大。如果保持IHΧ直徑不變，則IHΧ長度會變大，主容器的高度也會隨之增大；如果保持IHΧ長度不變，則IHΧ直徑會變大，主容器的外徑也會隨之增大。不論是主容器高度變大，還是直徑變大，都會給主容器的設計造成很大的困難，相應的主容器的建造成本也會增加。但并不是增加環路數就一定能夠減小主容器的結構尺寸，如果環路數過多，也會導致主容器內設備數量過多，進而出現主容器尺寸過大和布置困難的情況。一般來說，2環路和3環路的方案對于堆容器的設計都是可行的。

對于二回路鈉泵來說，環路數的變化會對鈉泵的揚程產生影響。在主管道管徑確定的情況下，減少環路數會導致管道流速增加，進而環路中管件和設備阻力增大，對鈉泵揚程的要求也會隨之增大。

2.5 總結

綜上所述，從安全性的角度考慮，快堆的環路數為1條是不合理的，大多取2條、3條或者4條，堆功率的大小是考慮環路數的重要因素之一。往往功率越大，取得的環路數也相應增大。從經濟性的角度考慮，減小環路數能夠降低反應堆的建造成本，但也會導致反應堆系統管道的流速增大，進而會出現管道材料腐蝕、質量遷移和周期性熱疲勞等問題。隨著科技的不斷進步，涉鈉管道的流速在不斷增大。在單環路SG和IHΧ數量確定的條件下，減少環路數，會增大設備的結構尺寸。在主管道管徑確定的情況下，減少環路數會導致所需鈉泵揚程增大。對于商業快堆來說，經濟性是評價其性能最重要的因素之一，在滿足大型商業快堆熱功率要求并且設備以及材料等工藝要求能得到滿足的情況下，減少環路條數能夠有效降低反應堆的建造成本，提高其經濟性。

3 CFR600環路數的確定

CFR600是建設完成CEFR實驗快堆之后，我國全力研究的大型示范快堆項目。目前，該項目正處在施工設計階段。CFR600的設計熱功率為1 500 MW，電功率為600 MW，堆芯進出口溫度分別為358℃和540℃，一回路總流量為7 004 K/s；IHΧ二次側進出口溫度分別為308℃和505℃，二回路總流量為5 962 kg/s。根據第2節的結論，從安全性的角度出發，可以排除1環路的設計方案。而從經濟性的角度考慮，結合其他示范堆和商業堆的經驗，4條及以上的環路數是不經濟的，2環路和3環路是可行的。下面分別對2環路和3環路的方案進行分析比較。

首先，從設備的角度對2種方案進行比較。由于CFR600的SG已經確定采用模塊式的布置方式，所以，環路數的變化對SG本身來說并沒有較大的影響。對于IHΧ來說，根據第2節的結論，無論是2環路還是3環路，單環的IHΧ數量均為2臺。那么，2環路方案的IHΧ總臺數為4臺，3環路方案的IHΧ為6臺。經過初步計算，在保持IHΧ長度不變的條件下，2環路方案的IHΧ外殼內徑為2.07 m，采用3環路方案的IHΧ外殼內徑為1.67 m。但經過主容器布置設計后發現，雖然3環路的方案能夠使IHΧ外殼內徑減小，但由于主容器內的一回路鈉泵和IHΧ數量增多，并不能減小主容器的外徑，而是會導致主容器內各種設備布置擁擠。其次，減少環路數有可能會增大管道流速，進而會引發管道材料腐蝕、質量遷移和周期性熱疲勞等問題，同時，也可能導致鈉泵揚程過大。對此，可以采用增大管徑的方法來解決這一問題。表4為采用2種設計方案下的二回路管徑、流速以及與之相匹配的系統阻力。

表4 CFR600快堆不同環路數下設計參數表

從表4中可以看出，采用2環路方案時，800 mm管徑的管道流速略高于推薦的經濟流速，但相比較于大型的示范堆和商業堆，這個流速也是可以接受的。當管徑選為900 mm時，則流速可以控制在經濟流速之下，同時，900 mm的大口徑管道的制造是可以實現的。采用3環路方案時，管徑也要達到700 mm，并沒有比2環路方案的管徑小太多。所以，減少環路數后，可以采取適當增加管道直徑的方法來解決管道流速增大帶來的問題。對于2環路方案來說，由于IHΧ阻力和SG阻力在整個環路阻力所占份額比較大，在單環IHΧ和SG數量確定的情況下，通過增大管徑并不能有效降低系統阻力，即通過增大管徑并不能有效降低鈉泵揚程。對于3環路方案來說，在單環IHΧ數量不變的情況下，環路數增多意味著IHΧ的管程流量減小，這會顯著降低設備的阻力，相應的系統阻力也會顯著下降。因此，采用2環路比3環路對鈉泵有更高的揚程要求。

采用2環路方案的最大優點是能夠有效減少設備數量，以及與主冷卻系統相連的其他各輔助系統的數量；相應的，也就大大減少了反應堆廠房的建筑面積。2環路方案能夠有效降低反應堆的建造成本，而這一點對于以后致力于商業發電的反應堆型來說是至關重要的。

CFR600的環路數取為2環路或是3環路均是可行的，從本質上講，它們都是多環路的設計理念，也均能滿足系統和設備的相關設計要求。2環路方案會使IHΧ尺寸增大，管道管徑增大，并由此引起鈉泵揚程增大。但從3環路變成2環路，并沒有給設備、系統的設計和制造帶來本質上的變化。無論是設備、主容器，還是主管道的制造，均可以實現。總體考慮，2環路方案能夠有效減少廠房的建筑面積，由于少了一個環路，系統的設備數量和管道的總長都減小了，同時，與主熱傳輸系統相連的眾多輔助系統及其設備、儀表、管道等都減少了1/3.根據印度PFBR的經驗，采用2環路能夠有效減少快堆的建造成本，與此同時，采用2環路還能夠減少后期的運營成本。

綜上所述，采用2環路能夠滿足系統對安全性的要求，設備和系統的設計也是能夠實現的。與3環路相比，2環路在反應堆的建造成本和后續的運行成本方面擁有更好的經濟性，所以，綜合考慮CFR600的環路數最終確定為2環路。

參考文獻：

［1］Liquid Metal Cooled Reactors Experience in Design and Operation［R］.Kyoto：IAEA，2007.

［2］Status of liquid metal cooled fast reactor technology［R］.Kyoto：IAEA，1999.

［3］Aoto，K.，Uto，Y.，Sakamoto，T，et al.Japan JSFR design study and R&D progress in the FACT project［C］//Proceedings of the International Conference on Fast Reactors and Related Fuel Cycles.Kyoto：IAEA，2009.

［4］SC Chetal，SB.BHOJE，R.D.KALE，et al.Conceptual design of heat transport systems and components of PFBR-NSSS［C］//［出版地不詳］：［出版者不詳］，1996.