NHR-200Ⅱ型低溫供熱堆安全特性

解 衡，王 巖，謝 菲

(清華大學 核能與新能源技術研究院，先進核能技術協同創新中心，先進反應堆工程與安全教育部重點實驗室，北京 100084)

清華大學核能與新能源技術研究院(簡稱核研院)對于低溫供熱堆的研究始于1980年代。1989年11月，世界上首座一體化殼式低溫核供熱堆在核研院建成并達到滿功率運行，其核功率為5 MW，截至目前，5 MW低溫核供熱堆(NHR-5)一直保持安全運行。運行實踐表明，低溫供熱堆性能優異、運行可靠、操作方便，是一種理想、安全、清潔的集中供熱熱源[1-4]。1991年8月，核研院與武漢長江動力公司、清華大學熱能工程系協同攻關， 完成5 MW核供熱堆72 h熱電聯供功率運行，首次實現了低溫核供熱堆熱電聯供。這次試驗，證明了可利用熱電聯供提高低溫核供熱堆的經濟效益。隨后核研院開展并完成了200 MW低溫供熱堆(NHR-200)的設計及關鍵技術驗證實驗[5-6]，其示范工程向有關單位申請立項，并經相關部門批準，先后決定或計劃在哈爾濱、大慶、吉化、沈陽等地建造。但由于種種原因，低溫核供熱堆產業化的進展并不順利，至今仍未實現。

近年來空氣污染問題成為影響人民健康的重要因素。工業園區中用于供應工業蒸汽的燃煤鍋爐是空氣污染物的一個重要來源。低溫供熱堆由于其優異的固有安全性，可建于園區內，是燃煤鍋爐的理想替代物。但NHR-200堆型主要用途為供熱，其供熱溫度無法滿足供應工業蒸汽的要求。要供應蒸汽，反應堆的主要熱工參數須大幅提升。同時低溫供熱堆的固有安全性也必須保持，否則無法建于園區內。熱力參數提升后，低溫供熱堆不僅能用于區域供熱，還可實現供電、供汽、海水淡化等多用途目標，經濟效益大幅提升。因此核研院開展了一種新的低溫供熱堆堆型NHR-200Ⅱ的研發[7]，目前處于初步設計階段。本文主要介紹該堆型為滿足安全性要求所做的設計優化。

1 NHR-200Ⅱ型低溫供熱堆設計特點

1.1 系統描述

NHR-200Ⅱ型低溫供熱堆的設計是建立在NHR-5和NHR-200設計、建造及運行經驗的基礎上。為達到系統簡化、滿足固有安全性，NHR系列低溫供熱堆采用許多與大型壓水堆不同的設計。其主要技術特點包括三回路設計、一回路一體化布置及全功率自然循環、自穩壓等。

圖1 低溫供熱堆壓力容器示意圖Fig.1 Schematic of NHR pressure vessel

與NHR-5和NHR-200相同，NHR-200Ⅱ是一種采用一體化布置、全功率自然循環、自穩壓的殼式輕水堆。圖1為壓力容器的示意圖，所有的壓力容器貫穿件直徑均很小且均位于壓力容器上半部，這樣可有效降低斷管事故帶來的危害。堆芯位于壓力容器的底部，其上為煙囪和上升段。冷卻劑經堆芯加熱后向上流經煙囪和上升段，到達上腔室后向外側流動至主換熱器。冷卻劑通過主換熱器將熱量傳給中間回路，冷卻后向下經下降段流到下腔室，再至堆芯完成1個流動循環。冷卻劑流動的驅動頭來自冷段和熱段流體溫差帶來的密度差。取消主循環泵可消除失流事故帶來的風險，但維持驅動頭需要作為熱源的堆芯與作為冷源的主換熱器之間有一定的高度差。這一因素成為壓力容器設計的主要限制條件之一。在壓力容器的上部，留有一定的汽空間并充入氮氣作為穩壓空間。氮氣的存在不僅能起到穩壓作用，還從機理上消除了一回路出現整體沸騰的可能性。

圖2為回路系統示意圖。與壓水堆不同的是，NHR有3個回路，在一回路和蒸汽回路間設置中間回路。一回路的熱量通過主換熱器傳給中間回路，中間回路由泵驅動，將熱量通過蒸汽發生器傳給蒸汽回路。蒸汽發生器內產生的蒸汽可供應工業蒸汽用戶、發電以及熱用戶，實現熱電聯供。中間回路運行壓力高于一回路和蒸汽回路，這樣即使發生主換熱器斷管事故，放射性也不會泄漏至蒸汽回路乃至最終用戶，保證了用戶的安全。同時中間回路的存在還可下調蒸汽發生器的設備分級以降低成本。

NHR-200Ⅱ與NHR-200和NHR-5的主要參數列于表1，從表1可看出，NHR-200Ⅱ的一回路溫度、壓力較NHR-200和NHR-5的大幅提升，其主要原因是工業蒸汽用戶需求的熱力回路參數較供暖用戶的需求高得多，使一回路參數不得不提升以滿足要求。一回路參數的提升必然會對反應堆的安全性產生影響，如何通過挖掘潛力、合理匹配系統來保持NHR的固有安全的特點，是NHR-200Ⅱ設計的主要工作之一。

圖2 回路系統示意圖Fig.2 Schematic of loop system

參數數值NHR-5NHR-200NHR-200Ⅱ熱功率,MW5200200一回路壓力,MPa1.52.58.0堆芯進/出口溫度,℃146/186140/210230/278一回路流量,t/h1032 3423 078活性區長度,m0.691.92.1中間回路壓力,MPa1.73.08.8中間回路冷/熱段溫度,℃102/14295/145208/248熱網壓力,MPa0.21.31.6熱網進/出口溫度,℃60/9080/130145/201.4

除參數不同，NHR-200Ⅱ較之前的NHR還有以下主要變化：NHR-5一回路可運行于壓水和微沸騰兩種工況，而NHR-200Ⅱ僅可運行于壓水工況；NHR-5和NHR-200采用緊貼式安全殼，而NHR-200Ⅱ的安全殼與壓水堆相似，這樣與放射性相關的系統均可設置于安全殼內；NHR-5和NHR-200的產品為熱水，而NHR-200Ⅱ的產品為蒸汽。

1.2 主要技術特點

NHR-200Ⅱ的主要技術特點如下。

1) 堆芯

堆芯有96盒組件，每盒組件由77個燃料棒和4根水棒組成，燃料棒采用壓水堆的成熟設計。組件外有盒，盒間隙為控制棒通道。

2) 反應堆冷卻劑系統

主回路設備均布置在壓力容器內，無連接管路及閥門，消除了大破口事故發生的可能性。貫穿容器的其他小管道，其經過壓力容器壁的喉部尺寸盡量小，以減輕小破口事故的后果。主冷卻劑系統采用無硼方案，大幅減小了放射性廢水量。

3) 非能動安全系統

反應堆在正常和事故工況停堆后的衰變熱均由非能動余熱排出系統載出。該系統由余熱排出空冷器、隔離閥以及管道組成，與中間回路相連(圖2)。正常運行時，與中間回路相連的隔離閥關閉，余熱排出系統不啟動。停堆后，中間回路隔離閥關閉，余熱排出隔離閥開啟，余熱排出系統啟動。反應堆產生的余熱通過主換熱器傳給中間回路，中間回路工質加熱后向上流經余熱回路將熱量傳給空冷器。余熱回路也采用自然循環驅動，其熱源和冷源分別為主換熱器和空冷器。空冷器加熱空氣，通過空冷塔內的自然循環將熱量傳給最終熱阱——大氣。整個余熱排出傳熱路徑經過3個自然循環回路，無需外加動力的部件，即使外電源失效，也可長期維持堆芯的充分冷卻。同時，余熱排出系統采用兩路互為冗余的設計確保其有效性。作為第二停堆系統的注硼系統，也采用非能動設計。注硼罐位于壓力容器之上，利用兩者之間的重力壓頭進行注硼。安全系統均采用非能動設計，使其在全廠斷電工況下仍能有效工作。

4) 控制棒水力驅動系統

由于堆芯采用無硼方案，控制棒的價值較大。一旦發生彈棒事故，后果相對嚴重。低溫供熱堆采用水力驅動的控制棒，其傳動以反應堆冷卻劑水為介質，通過泵加壓后，注入安裝在堆內的水力步進缸，通過流量變化控制缸體運動，拖動控制棒。它從機理上避免了多根棒同時提升和連續提棒的可能性，同時由于驅動機構位于壓力容器內，消除了彈棒事故，因而提高了反應堆的安全性。同時，控制棒水力驅動系統也具有失電安全功能。控制棒水力驅動系統初始應用于NHR-5，20多年來，核研院一直對其進行持續改進、驗證，其精度及可靠性大幅提升[8-9]。

2 安全目標

作為加壓的水冷堆，NHR-200Ⅱ應滿足適用于壓水堆的所有安全要求。除此之外，要能建設于工業園區或人口稠密區附近，須做到實質上消除堆芯熔化和大規模放射性釋放，技術上可實現三區合一。為實現以上目標，根據NHR-200Ⅱ的設計特點，需做到以下兩點：1) 反應堆能依靠非能動系統實現安全停堆以及余熱載出；2) 在任何設計基準事故和設計擴展工況下，堆芯活性區始終能被水淹沒，由于堆芯功率密度遠低于壓水堆，只要保證活性區被水覆蓋，就不會發生臨界熱負荷，包殼及芯塊溫度遠低于安全限值。

3 安全措施

采取了以下措施以實現非能動安全目標。

1) 余熱通過自然循環的方式載出。余熱載出傳熱鏈上的3個回路(一回路、余熱載出回路、空冷塔)均為自然循環驅動，無需主動驅動力。

2) 兩套停堆系統均無需動力驅動。在失電的情況下水力驅動控制棒依靠重力和彈簧力自動下落，注硼系統依靠重力驅動。

3) 余熱排出系統隔離閥為失電開啟的電磁閥，通電時，電磁線圈產生電磁力將關閉件壓在閥座上，閥門關閉；斷電時，電磁力消失，彈簧將關閉件從閥座上提起，閥門打開。正常運行時電磁閥通電，閥門關閉，余熱排出系統停運；事故或停堆時，電磁閥斷電，閥門開啟，余熱排出系統啟動。因此，余熱排出系統具有失電開啟功能。

4) 無安全注入系統。

因此，反應堆的安全停堆以及余熱載出不依賴任何主動部件。

堆芯活性區依賴以下措施實現始終能被水淹沒。

1) 一回路一體化布置消除了大破口事故發生的可能性；所有的壓力容器貫穿件均位于壓力容器上半部，其貫穿容器部分設置縮徑，尺寸盡量小、位置盡量高以限制破口事故下的失水量。

2) 壓力容器底部設置雙層殼。內外殼之間的容積非常小，因此即使內殼發生泄漏，其失水量也不足以使堆芯裸露。

3) 壓力容器容積足夠大。由于一回路采用全功率自然循環，需作為熱源的堆芯與作為冷源的主換熱器之間有足夠的高度差。另外主換熱器、控制棒驅動機構均位于壓力容器內。這使得NHR-200Ⅱ的壓力容器水裝量與功率之比遠大于壓水堆，破口事故發生后有足夠的裕度。

4) 余熱排出能力強。余熱排出系統的設計能力足夠強，不僅能在正常停堆工況下載出堆芯余熱，而且能在破口事故發生后迅速降低一回路壓力，使破口泄放流量大幅降低。

5) 從一回路引出的小管道設置多道隔離閥。隔離閥在破口事故發生后自動關閉，限制了失水量。

6) 低的運行壓力、溫度和功率密度。低的運行參數使破口流速遠低于壓水堆，堆芯內的潛熱也遠低于壓水堆。

NHR-5采用了相似的措施，使其滿足了安全要求。但NHR-200Ⅱ的運行溫度及壓力遠高于NHR-5(表1)，而出于經濟性的考慮，壓力容器的尺寸和余熱排出系統的能力也受到了限制。壓力容器貫穿件的喉部尺寸也不能太小，否則驅動該管道內工質流動需要的泵功會很大。如何平衡以上因素，找到合適的參數配置，恰是決定NHR-200Ⅱ設計成功與否的一個關鍵點。

4 事故分析

4.1 設計基準事故

參照壓水堆的事故分類標準，根據NHR-200Ⅱ的設計特點，影響反應堆安全的設計基準事故可分為以下5類。

1) 一回路排熱增加

由于一回路采用自然循環，無主泵，可能造成一回路排熱增加的主要原因是中間回路泵控制系統失效導致其流量的突然增加。中間回路流量的增加使得通過主換熱器載出的熱量增加，一回路的冷段溫度因而降低，流至堆芯后由于溫度負反饋作用帶來反應堆功率增加。因為中間回路的流量變化對一回路的作用需通過主換熱器，主換熱器的熱容延緩了其作用效果；同時一回路自然循環流速低使其對堆芯的作用更為延緩，因此，一回路排熱增加的后果很輕。

2) 一回路排熱減少

一回路排熱減少的主要原因是中間回路泵卡泵或停泵帶來的流量減小。NHR-200Ⅱ有兩個環路，由于其一回路熱容大以及主換熱器的延緩作用，1個環路中間回路流量的減少對一回路的沖擊不大。如果由于失電導致兩個環路中間回路流量同時喪失，水力控制棒會自動落棒停堆，余熱排出系統失電開啟載出堆芯余熱。

3) 冷卻劑裝量增加

冷卻劑裝量增加的主要原因是主換熱器管道的破裂。由于中間回路較一回路壓力高，主換熱器管道破裂會造成中間回路冷卻劑流入一回路，由于其溫度低，溫度負反饋作用帶來反應堆功率增加。為應對這一事故，中間回路和一回路之間的壓差設為保護信號。事故發生后，該保護信號會觸發反應堆停堆，余熱排出系統啟動載出堆芯余熱。

4) 冷卻劑裝量減少

冷卻劑裝量減少的可能原因包括壓力容器頂部安全閥的誤開啟、儀表管的破裂以及控制棒引水管等小管道的破裂。設置一回路低水位保護信號，冷卻劑失水量超過保護定值時，反應堆停堆、余熱排出系統啟動載出堆芯余熱。同時管道上的隔離閥關閉，失水過程停止。由于一回路運行壓力、溫度低，破口尺寸小，壓力容器裝水量大，這類事故的后果不會導致堆芯裸露。

5) 反應性及功率分布異常

反應性分布異常的原因包括冷水事故、控制棒誤提升、燃料組件裝錯位置等，其中后果最嚴重的是控制棒誤提升。由于采用水力驅動控制棒，從機理上避免了彈棒、多根棒同時提升和連續提棒的可能性。因此反應性引入速度很慢，事故后果輕。

對以上事故的分析表明NHR-200Ⅱ有足夠的安全裕度，滿足安全要求。

4.2 設計擴展工況

為表明NHR-200Ⅱ的安全性，選取了兩個設計擴展工況進行詳細介紹。分別是全廠斷電迭加ATWS(未停堆預期瞬態)事故、并考慮注硼短期內失效以及控制棒引水管雙端斷裂迭加兩道隔離閥失效。分析工具采用RETRAN02程序。

全廠斷電迭加ATWS事故的后果示于圖3。全廠斷電事故發生后，控制棒應自動落棒，保守假設其沒有下落。由于失去熱阱，一回路溫度開始上升(圖3a)，壓力增加(圖3b)。一回路溫度、壓力達到峰值后隨著余熱排出系統的啟動逐步下降。由于冷卻劑溫度升高，密度降低，帶來較大的負反應性，使事故發生后反應堆功率迅速下降，同時功率的降低使得燃料溫度降低，帶來了正反應性。當冷卻劑溫度達到峰值后，隨著余熱的啟動而逐步降低。冷卻劑溫度變化帶來的負反應性與燃料溫度變化帶來的正反應性逐漸接近，使功率變化幅度變小，最后與余熱排出功率達到平衡(圖3c、d)。事故發生后的參數遠低于安全限值。這一事故是所有一回路排熱減少事故中假設條件最苛刻、后果最嚴重的，依靠非能動余熱排出系統的作用反應堆的安全得到了保證，這表明NHR-200Ⅱ具有優秀的非能動安全性能。

圖3 全廠斷電迭加ATWS事故下堆芯冷卻劑溫度、一回路壓力、反應性和功率變化曲線Fig.3 Variations of coolant temperature, primary pressure,reactivity and power in accident of loss of AC power-ATWS

控制棒引水管雙端斷裂迭加兩道隔離閥失效事故的后果示于圖4。破口發生后，冷卻劑的流失造成一回路水位下降并觸發停堆信號，反應堆停堆、余熱排出系統啟動。同時低水位信號還觸發隔離閥關閉，保守假設兩道隔離閥均失效。冷卻劑噴放繼續，隨著水位降低至破口以下，噴放的冷卻劑由液相轉為氣相，噴放流量大幅降低。事故發生后，安全殼的壓力由于高溫冷卻劑的流入迅速升高，一回路的壓力隨著余熱排出系統的啟動而降低。兩者平衡后噴放停止。事故發生30 h后，壓力容器剩余水裝量仍高于40%，足以覆蓋堆芯。在所有的與一回路相連、貫穿壓力容器的小管道中，控制棒引水管位置最低，孔徑最大。因此在所有的冷卻劑裝量減少事故中，控制棒引水管雙端斷裂失水量最大。在這一事故中，還保守假設了兩道隔離閥失效。該事故下堆芯仍能保持被水淹沒，燃料及包殼溫度遠低于限值，充分表明了NHR-200Ⅱ在失水事故下的安全性。

以上兩個設計擴展工況發生概率極低，是同類事故中后果最嚴重的。在這樣極其苛刻的條件下反應堆仍能保持安全，表明了NHR-200Ⅱ具有優異的安全性能。

圖4 破口事故下壓力容器內殘余水量Fig.4 Variation of residual coolant in pressure vessel in accident of LOCA

5 結論

本文介紹了NHR-200Ⅱ型低溫供熱堆的主要設計特點、安全目標以及為滿足安全要求所采用的應對措施。對5類設計基準事故和2個典型設計擴展工況進行了分析。分析表明反應堆滿足非能動安全、堆芯活性區始終被水淹沒的安全目標，具備優異的安全性能。