小型模塊化反應堆CAREM簡介

葉竹　曹思民　王詩倩

【摘 要】目前，世界對電力的需求日益增長，而小型化模塊化反應堆由于能夠滿足用戶更加廣泛和靈活發電需求。本文對目前已經處于建造狀態的阿根廷CAREM一體化小型化反應堆進行了介紹，并對其設計特點進行了分析。

【關鍵詞】CAREM；一體化；小型化模塊反應堆；設計特點

中圖分類號： TM623.2 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0048-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.019

【Abstract】Nowadays， the demand of power is constantly increasing all over the world. The small module reactor （SMR） can satisfied users more feasible and widely demand. This paper has introduced the integrated CAREM SMR and analysis their design characteristics.

【Key words】CAREM； Integrated； SMR； Design Characteristics

1 介紹

在可預計的將來，世界對電力的需求可能會增加近一倍。小型模塊化反應堆作為傳統核電站的補充，可以滿足小電網區、邊遠地區和極地島嶼的電力需求，同時還能在海水淡化或熱電聯供等特殊需求市場發揮作用。

目前，全世界已經有三座小型化反應堆處于建造狀態，分別是阿根廷的CARM25，俄羅斯的KLT-40S和中國的HTR-PM。其中CAREM是一個基于輕水堆技術的國家級的小堆開發項目。由阿根廷國家原子能委員會（CNEA）和阿根廷領頭的核能公司合作，目的是開發，設計和建造創新型的小型核電廠，具有強大的經濟競爭力和高安全級別。CAREM是一種一體化的壓水堆，采用獨特的間接蒸汽循環，簡化了設計的同時達到了更高的安全性。CAREM反應堆使用阿根廷國內的技術開發，至少70%的部件和相關功能由阿根廷國內的公司提供。原型機CAREM-25熱功率為100MW（30MW電功率）。

2 適用范圍

CAREM的設計用途是為給低電力需求的地區提供電力，也可用于海水凈化提供淡水或為海邊的設施提供電力。

3 發展里程碑

1984年 CAREM的概念在一次關于小堆的IAEA會議中被提出， CNEA正式開展CAREM項目

2001-02年該設計在第4代國際論壇上進行評估，被選為近期發展小組

2006年阿根廷核能恢復計劃將CAREM-25列為國家核能發展的首要目標之一

2009年CNEA為ARN完成了CAREM-25的初步安全分析報告（PSAR），發布聲明稱Formosa省被選為CAREM小堆建造的地址

2011年開始進行高溫高壓循環以測試創新的液力控制棒驅動機制（CAPEM）

2011年開始進行開挖工作，股東們的協議和合約正在進行中

2012年進行土建工程

2014.2.8正式開始施工建造

預計2019年首次裝料

4 總體設計介紹

4.1 設計思路

CAREM是一種設計獨特的基于間接循環的自然流動反應堆，設計簡化且提升了安全性。它的主要循環（一回路）全部處于反應堆壓力容器內而且不需要任何一回路循環泵。這個壓力輸送的過程由壓力容器內液體蒸發和蒸汽冷卻的平衡達成。CAREM的設計減少了敏感部件的數量并降低了與環境相互作用的潛在風險。

一些重要的設計特性包括：

一體化主回路冷卻系統

自加壓

自然循環冷卻堆芯

容器內控制棒驅動機制

非能動安全系統

具有成本效益的內在化安全性能平衡的最優化的設計

4.2 核蒸汽供應系統

CAREM是一個一體化的反應堆。具有高能量的重要系統（堆芯、蒸汽發生器、一回路冷卻劑和蒸汽穹頂）被裝在一個壓力容器內。一回路冷卻劑流動通過自然循環完成，蒸汽發生器被布置在堆芯上方如圖1所示（以形成重力勢能差）。水（冷卻劑）從下方進入堆芯，加熱后冷卻劑離開堆芯從上方通過煙囪狀的管道進入蒸汽穹頂。隨后冷卻劑從側面的出口進入外部區域；隨后流過模塊化蒸汽發生器，焓值降低；再通過下導管從下方進入堆芯，完成循環。在穩態工況下，冷卻劑流動的驅動力由流體密度差提供，由摩擦損失平衡，因此堆芯中可保持有適當的流量。冷卻劑同時還作為中子慢化劑。

4.3 反應堆堆芯

CAREM-25的堆芯燃料組件呈六角形排列，共有61個燃料組件，反應長度約1.4m。每個燃料組件有108根外徑9mm的燃料棒，18個導向套筒和一個儀表套筒，如圖2所示。燃料為1.8% - 3.1%富集度的UO2。燃料循環可根據用戶需求定制，作為參考的設計原型是510天滿功率運行50%堆芯替換率。

4.4 反應性控制

反應性控制使用Gd2O3在特定的燃料棒中作為可燃毒物，同時還作為屬于調節和控制系統的活動的吸收元件。在正常運行和停堆中冷卻劑中的中子毒性不用于反應性控制。每個吸收元件由一組連接到結構元件（多腳架）的棒簇組成，所以整個棒簇作為一個整體移動。吸收棒裝在導管內。吸收材料通常采取Ag-In-Cd合金。吸收組件在反應堆正常運行時用于控制反應性，并在需要時突然中斷鏈式反應。

4.5 反應堆壓力容器及內部構件

壓力容器高11m，直徑3.4m，厚度從13cm到20cm不等。壓力容器由鑄鋼構成，內襯為不銹鋼。

4.6 反應堆冷卻劑系統

一回路冷卻由自然循環驅動。CAREM的一回路全部處于壓力容器內且無冷卻泵。堆芯加熱冷卻劑使其向上流入立管，加熱后的冷卻劑從立管中流出，通過螺旋線圈狀的蒸汽發生器導管，蒸汽發生器作為熱阱吸收熱量。

4.7 穩壓器

蒸汽穹頂中自加壓的一回路導致了汽液兩相的平衡狀態。壓力容器中巨大的蒸汽容積作為穩壓器存在，同時調節最終的壓力波動。由于自加壓，堆芯出口的整體溫度對應一回路壓力下的飽和溫度。這種設計方式取消了傳統壓水堆中典型的加熱器。

4.8 蒸汽發生器

12個相同的小型螺旋狀一次通過式蒸汽發生器垂直地等距離布置在壓力容器內表面。每個蒸汽發生器由7個線圈狀的管道層組成，共52根長26m的平行管道。蒸汽發生器用于將一回路的熱量傳遞給二回路，產生4.7MPa的過熱蒸汽。二回路給水在蒸汽發生器導管中從下往上流動，一回路冷卻劑在另一側以相反方向流動。為了在二次側達到一致的壓力損失和過熱度，所有管路的長度相等。出于安全因素的考慮，蒸汽發生器被設計為在二次側無壓力時能承受住一回路的全部壓力。整個蒸汽系統在蒸汽發生器導管破裂的事故下，一直到隔離閥之前的部分（包括蒸汽出口和給水入口）能承受一回路壓力。

5 安全特征

5.1 工程安全系統構造和途徑

CAREM的安全系統由兩列反應堆保護系統（RPS）、兩列停堆系統、非能動余熱排出系統（PRHRS），安全閥和泄壓閥、低壓注入系統和壓力抑制型安全殼。兩列停堆系統滿足冗余、獨立、分離、多樣化的條件并可以自動動作。每列系統可以獨立地在所有停堆工況下將堆芯保持在次臨界狀態；初次停堆系統（FSS）由9根快速停堆棒和堆芯上方的16根反應性調整和控制棒組成。在需要的情況下棒組通過重力下落。二次停堆系統由一個重力驅動的高壓硼水（兩個罐子）注入設備組成，如果FSS系統未能動作，這個設備會自動動作。當喪失熱阱或全廠斷電（SBO）事故下，兩列PRHRS的其中一列可在36小時（寬限期）內排出堆芯余熱可以保持安全的堆芯溫度。在CAREM中全廠斷電事故被定義為設計基準事故。PRHRS是由平行的水平U型管構成的熱交換器（冷卻器），與常規的集管相連。一組集管與壓力容器的蒸汽穹頂相連，另一組（冷卻回流管線）與壓力容器在蒸汽發生器一次側的入口相連。

通過自然循環，設計提供了堆芯余熱排出功能，將余熱排到安全殼內專用的水池中，隨后排到抑制池。兩臺冗余的柴油發電機為運行的冷卻系統長期供能。盡管超過36小時的全廠斷電事故較為少見，設計中還是考慮了由滅火系統或者外部泵和安全殼保護支持的簡單系統延長寬限期。

設計準備了液壓控制和壓力容器下封頭熔融物堆內滯留冷卻來緩解嚴重事故。具有重要安全功能的系統、結構和部件（SSCs）的安全級別由低等級的安全功能（LLSF-源于基礎安全功能）和滿足這些功能的SSCs安全功能組確定。LLSF的安全分類準則和SSC的安全級別來源于縱深防御的設計理念和概率性和確定性的考慮。一共定義了三個級別和種類。這種方法為重要安全系統及其SSCs提供了一個清晰的設計規則和要求。

5.2 安全殼系統

帶有抑制池的圓柱型安全殼容器外墻為1.2m厚的加強混凝土，內側有不銹鋼內襯，可承受0.25g的地震。設計為可承受0.5MPa的壓力。最終熱阱在安全殼內，可以在外部極端事故下提供保護。

6 電廠安全和運行

冷卻劑的自然循環根據不同的功率在主系統中產生了不同的流量。在不同功率切換的過程中，流量中會得到一個自修正的反饋。由于壓力容器（蒸汽穹頂）的自加壓功能，系統的壓力非常接近飽和壓力。在所有的運行工況下這可以保證壓力容器壓力反應足夠的穩定性。控制系統可通過不同的瞬態將反應堆壓力控制在特定的運行定值，甚至在功率劇變的情況下都是如此。負反應性反饋系數和一回路中大量的水存量與自加壓特征一起使得用最小的控制棒動作就可以實現這個行為（指將反應堆壓力控制在特定的運行定值）。另外，蒸汽穹頂中還有一個冷卻線圈管路來調節反應堆運行點。創新性的設計消除了許多可能導致事故工況的事件，如大LOCA、LOFA和彈棒事故。另一方面設計中還考慮了假想的多重故障事故，如ATWS、PRHRS和輔助柴油發電機故障。此外，大比值的一回路水量/功率比率使得電廠在大多數系統和部件嚴重故障后的瞬態易于處理（因為熱慣性很大）。設計中開發了概率性和確定性的安全分析；完全滿足了常規需求并在滿足驗收準則的基礎上還具有很大的裕量。

7 儀表和控制系統

電廠控制由分散的控制系統進行，基于電腦控制并具有高可用率。設有兩套多用化保護系統：初次反應堆保護系統（FRPS）和二次反應堆保護系統（SRPS），每個系統有四套冗余。設有兩套多樣化核儀表系統（NIS），分別用于FRPS和SRPS。

8 設計和審批狀態

在完成審批過程后，原型機組的建造已經開始。阿根廷國內不同股東關于部件制造的合同已經簽署。當地政府批準了環境影響研究。非核廠房的建造在2014年2月開始。

【參考文獻】

[1]IAEA，small modular reactors， https：//www.iaea.org/topics/small-modular-reactors.

[2]IAEA ARIS，Advances in Small Modular Reactor Technology Developments，2016 Edition.

[3]NNL，Small Modular Reactors （SMR） Feasibility Study， December，2014.