KLT40S小型堆鼓泡抑壓技術特點

摘 要：KLT-40S所采用的鼓泡抑壓技術其抑壓工作過程與傳統抑壓技術完全不同，這種技術需要的抑壓池空間較小，具有結構簡單可靠，布置靈活，空間利用率高等優點。本文還對KLT-40S鼓泡抑壓技術的應用條件進行了說明。

關鍵詞：小型堆；KLT-40S；鼓泡；抑壓池；技術特點

根據文獻[1]， 由于LOCA 事故噴放階段質能釋放焓值較高，安全殼噴淋難以及時有效地抑制安全殼壓力的上升，如何抑制事故初期安全殼內的壓力峰值是維持安全殼完整性的關鍵，根據BWR設計和國外小型堆開發的經驗，安全殼抑壓技術是解決該問題的重要途徑。KLT-40S是由俄羅斯Afrikantov OKBM（阿夫里坎托夫機械工程實驗設計局）開發設計的小型反應堆，它采用的是鼓泡抑壓技術，這有別于傳統抑壓技術（比如GE的MARK-I、MARK-II、MARK-III安全殼）。

1 KLT-40S安全殼特點

KLT-40S的安全殼為長方體形鋼質安全殼，除去反應堆系統、設備和構筑物占用的實體空間外，它由上部濕井，下部濕井和干井組成。上部濕井和干井之間通過聯通管口上的爆破膜分隔，下部濕井和干井之間也通過聯通管連接，聯通管一端通過爆破膜接著干井，另一端深埋在抑壓池水面以下，水面下的聯通管橫管上開設有朝上的通氣孔，起到在抑壓工作的時候向上鼓泡的作用，因此稱之為“鼓泡抑壓”，干井和下部濕井之間通過該聯通管這唯一通道聯通。

在上部濕井和下部干井之間有分隔板，使上部濕井和下部干井之間完全分隔開。KLT-40S安全殼內部圖及設計簡化圖見圖1。

2 鼓泡抑壓工作過程

在干井內發生LOCA事故的情況下，見圖3，干井中的壓力迅速升高，當達到爆破膜1的設定壓力（KLT的設定壓力為1.3Bar[2]）的時候，爆破膜破裂，壓力促使聯通管內的水實體被推射到濕井中，當聯通管內的水推射完畢，蒸汽/空氣的混合物以鼓泡的形式進入到濕井中，蒸汽被迅速凝結，不凝結的空氣進入到下部濕井的上部空間中，使該區域的壓力不斷升高，當超過聯通管上爆破膜的設定壓力（KLT是1.7Bar）的時候，爆破膜破裂，上部濕井大量的自由空間使下部濕井內的壓力迅速降低，這樣鼓泡凝結的過程還可以持續到干井和濕井壓力平衡為止。隨著事故進程，熱量的導出很可能造成上部濕井壓力大大超過下部干井，這對維持結構的完整性是非常危險的，隨著壓差的加大，爆破膜3破裂，使干井和濕井之間的壓力維持平衡直到事故后期。

從工質傳遞形成持續抑壓過程的角度我們可以把這個過程分成4個階段：

第一階段：干井壓力迅速升高到爆破膜1設定壓力階段；

第二階段：爆破膜1破裂到聯通管內水實體被推壓出去階段；

第三階段：從推壓完成到爆破膜2破裂前持續鼓泡抑壓階段；

第四階段：從爆破膜2破裂到抑壓過程停止（不存在工質的正向流動）階段。

從上面工作過程的描述，我們可見在KLT-40S的抑壓工作過程中，正是通過爆破膜實現了對抑壓工作過程的有效干預，這是與傳統抑壓技術顯著不同的地方。

3 鼓泡抑壓技術優點

3.1 縮小事故影響范圍

在發生安全殼內冷卻劑或蒸汽泄漏事故后，安全殼內濕熱環境會對設備可能造成影響，從主動安全的角度來講，能夠把事故影響限制在盡可能小的范圍內是行之有效的技術措施，而KLT-40S采用爆破膜的干預手段，能夠最大限度地縮小事故影響范圍：

（1）第一道爆破膜可以使輕微泄漏不至于導致抑壓過程啟動；

（2）第二道爆破膜同樣可以使抑壓過程限制在局部的范圍之內。

即使是在大破口泄漏的情況下，第一二道爆破膜只是使抑壓工作過程出現瞬斷，干預了安全殼內壓力變化的過程，但爆破膜對終態不會有影響。

3.2 有效縮小抑壓池和聯通管尺寸

抑壓池擔負著重要的安全功能，占據了安全殼內相當大的布置空間，而傳統抑壓技術為達到抑壓效果，對抑壓池的布置要求非常高，而KLT-40S通過第二道爆破膜將濕井進行了隔離，在抑壓池水面上方只需要很小的一部分自由容積，這樣使抑壓池得到了最大限度地縮小，從而使得安全殼內的布置可以非常地靈活高效，非常適于“瘦高型”抑壓容器代替抑壓池，這非常有利于適應海洋搖擺沖擊工作環境。

在同樣的事故后蒸汽量的情況，KLT-40S需要通過聯通管通流的不凝結氣體的體積要大幅度地低于傳統抑壓技術，因此KLT-40S需要的聯通管可以設計得很小。

3.3 能夠消除不凝結氣體的影響

根據抑壓工作原理，只有蒸汽進入抑壓池才會有效抑制壓力升高，但事故前安全殼內空氣的存在對抑壓過程的負面影響是客觀存在的，從KLT-40S的抑壓過程我們可見，在事故后他只需要驅趕安全殼內非常少的干井中的空氣，因為緊湊結構設計，這部分空氣占安全殼內自由容積的份額非常小，也就是說事故后只有干井中的少量空氣會對抑壓過程造成負面影響。即使這少量的不凝結氣體影響了KLT-40S的抑壓過程，在第二道爆破膜破裂后，抑壓過程仍然可以持續，從而實現充分換熱。

3.4 能夠有效“驅趕”蒸汽到抑壓池

對采用抑壓技術的安全殼，如何在事故后使蒸汽迅速通過抑壓池水凝結冷卻是抑制壓力升高的關鍵。在蒸汽進入抑壓水池過程中，都不同程度地夾帶著不凝結的空氣。

對KLT-40S而言，即使事故初期進入抑壓水池的氣體全部是不凝結氣體，也只會使第三階段過程縮短，在第四階段抑壓池可以持續進行凝結抑壓，因此干井中的不凝結氣體不會對蒸汽的凝結抑壓造成影響。KLT-40S在第二道爆破膜破裂后，上部濕井空間可以用于吸納大量的不凝結空氣，由于干井的容積小容納的空氣少，空氣相對于需凝結的蒸汽的份額就小得多，這對快速驅趕蒸汽進入抑壓池是非常有利的。

4 鼓泡抑壓技術應用條件

4.1 安全殼內增設分隔

對KLT-40S抑壓技術，在干井和上部濕井之間需要加設分隔板，這是實現抑壓功能和對抑壓過程干預的關鍵技術措施，從圖4可見，分隔裝置在主設備正上方是比較厚重的，這主要是兼顧了輻射屏蔽的功能，在其他區域輻射屏蔽要求較低的情況下，分隔板要薄得多。

4.2 爆破膜設定壓力

如圖5，典型的LOCA事故后，干井內的壓力迅速升高，在聯通管內的水推射完畢后，濕井內的壓力也迅速升高，在幾十秒內干井內的壓力就可以達到壓力峰值。

KLT-40S設置的爆破膜在抑壓過程中不僅改變了干井和濕井壓力變化的進程和數值，甚至能延緩壓力峰值出現的時間，降低壓力峰值。

爆破膜的設定壓力應以事故分析和試驗驗證為基礎，合理選擇和優化組合。

4.3 安全殼內分隔位置的選取

從KLT-40S的抑壓設計我們可以看出，威脅到安全殼完整性的大破口的泄漏點都選擇在分隔板的下方，分隔板上方要求不能存在威脅安全殼完整性的可能破口點，這就要求反應堆和主要設備幾乎都要布置在分隔板下方，將可能發生破口泄漏的設備和管道設置在分隔板的下方。

對采用OTSG（直通式蒸發器）的一體化堆型或緊湊型堆型，因為蒸發器二次側水裝量極少，即使發生MSLB（主蒸汽管道破裂），在主蒸汽隔離閥隔離后只會泄漏出非常少的蒸汽，不會威脅到安全殼，不需要將主蒸汽管道布置在分隔板下方這樣，容易實現分隔板布置和采用鼓泡抑壓技術。而BWR和采用UTSG（U型管式蒸發器）的PWR因為主蒸汽管道破裂高能釋放時間長、能量大的特點，不宜采用鼓泡抑壓技術。

5 結語

綜上所述，KLT-40S采用的鼓泡抑壓技術工作原理與傳統BWR抑壓技術沒有區別，但具有與傳統抑壓技術完全不同的工作過程，通過采用分隔板和爆破膜，實現了對抑壓過程的巧妙干預，鼓泡抑壓技術能夠很好地適應海洋工作條件，可以為國內開發海上小型堆借鑒和參考。

參考文獻：

[1]全標，等.抑壓式安全殼的抑壓特性研究[J].核動力工程.

[2]IAEA-TECDOC-881，Design and development status of small and medium reactor systems 1995[EB].IAEA.

作者簡介：張臣剛（1973-），男，重慶萬州人，本科，高級工程師，主要從事核電堆型研發和設備國產化研發方面的工作。