非能動安全殼空氣冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究及評價

孫超杰，劉嘉維，汪晨輝，劉長亮，朱京梅

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

小型堆作為一種安全、經(jīng)濟(jì)的核電新堆型，受到越來越多國家的關(guān)注，同時也是國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)鼓勵發(fā)展和應(yīng)用的一個核能開發(fā)新方向[1]。小型堆具有高度的安全性、良好的經(jīng)濟(jì)性、功率規(guī)模的靈活性和特殊廠址的適應(yīng)性，能夠滿足中小型電網(wǎng)的供電、城市供熱、工業(yè)供熱和海水淡化等各種領(lǐng)域應(yīng)用的需求[2]，是大型核電機(jī)組無法取代的。

小型堆主要技術(shù)特點(diǎn)有：一體化反應(yīng)堆；高效直流蒸發(fā)器；屏蔽主泵；能動+非能動等。其中，非能動安全殼冷卻系統(tǒng)作為重要的非能動安全系統(tǒng)之一，其設(shè)計(jì)和驗(yàn)證[3]顯得尤為重要。經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)[4]，目前國際上安全殼冷卻普遍采用的介質(zhì)是水或水和空氣，前者主要針對混凝土安全殼，而后者主要針對鋼制安全殼。對于采用鋼制安全殼的小型堆，由于其額定功率小、鋼殼自身換熱特性好和殼內(nèi)自由容積大的特點(diǎn)，具備采用空氣進(jìn)行冷卻的條件，并且能大大提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和創(chuàng)新性。目前，國內(nèi)外對非能動安全殼的冷卻研究集中在大堆的水冷[5-6]，而對小型堆的空冷研究甚少，因此對其研究顯得尤其重要。

本文針對小型堆鋼制安全殼冷卻系統(tǒng)，提出了兩種非能動空氣冷卻方案，通過理論計(jì)算進(jìn)行了分析和驗(yàn)證，并從安全性、經(jīng)濟(jì)性和創(chuàng)新性角度，分別進(jìn)行對比和分析，提出更優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)調(diào)研和設(shè)計(jì)

采用非能動設(shè)計(jì)理念，為安全殼提供冷卻的可利用介質(zhì)主要有水和空氣，經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前普遍采用的是水冷或者空冷+水冷。

美國西屋公司在AP600技術(shù)[7]上同時采用了水和空氣作為非能動冷卻介質(zhì)，當(dāng)堆芯衰變熱較小時，僅采用空氣自然循環(huán)冷卻；當(dāng)堆芯衰變熱較大時，同時利用重力排水和空氣自然循環(huán)進(jìn)行冷卻。美國馬里蘭大學(xué)核工程研究中心聯(lián)合其他單位提出了環(huán)繞水池冷卻系統(tǒng)的方案，該方案綜合利用了空氣循環(huán)對流和內(nèi)外水池蒸發(fā)的方式對鋼制安全殼進(jìn)行有效冷卻。德國Karlsruhe研究中心提出了一種安全殼空冷結(jié)構(gòu)[8]，由內(nèi)置的鋼制安全殼和外面的混凝土殼構(gòu)成，空氣下進(jìn)上出，但是該研究只處在科研階段，并沒有從工程應(yīng)用角度考慮具體的可實(shí)施方案。

小型堆采用雙殼設(shè)計(jì)，內(nèi)部設(shè)置鋼制安全殼，外部設(shè)置混凝土安全殼，經(jīng)過充分調(diào)研和初步評估，小型堆由于自身功率小，具備依靠空氣非能動冷卻的條件。該系統(tǒng)利用鋼制安全殼殼體作為一個傳熱表面，安全殼內(nèi)表面受蒸汽冷凝、蒸汽及殼內(nèi)大氣的對流及輻射等影響而被加熱，然后通過導(dǎo)熱將熱量傳遞至鋼殼體，受熱的鋼殼外表面通過傳導(dǎo)、對流及輻射將熱量傳遞給冷空氣、混凝土殼或?qū)Я靼澹罱K由自然循環(huán)的冷空氣流經(jīng)兩側(cè)表面時將熱量帶到環(huán)境。

非能動安全殼空氣自然循環(huán)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下原則：

1) 空氣入口和出口的設(shè)計(jì)與布置充分考慮使周邊環(huán)境對空氣自然循環(huán)的影響降到最低，并應(yīng)考慮外部極端的天氣條件;

2) 空氣流道的設(shè)計(jì)與布置應(yīng)盡量簡單，盡量減小空氣流動損失;

3) 空氣出口的結(jié)構(gòu)高于空氣入口，以提供額外的浮升力，并盡量減少排出的空氣重新進(jìn)入空氣入口。

空氣自然循環(huán)通道是常開的，未設(shè)置任何能動設(shè)備，在空氣入口和出口處設(shè)置專用設(shè)施以防雨雪、飛射物及其他外部物體。當(dāng)安全殼內(nèi)溫度大于環(huán)境溫度時，致使鋼殼周圍的空氣密度小于環(huán)境空氣密度，當(dāng)密度差達(dá)到一定程度時，就會在這種驅(qū)動力的作用下，迫使環(huán)境空氣從入口進(jìn)入，然后流經(jīng)鋼殼外表面，通過對流換熱和熱輻射帶走熱量，最后經(jīng)空氣出口返回至環(huán)境。

1.1 設(shè)計(jì)方案A

考慮防飛機(jī)或其他物項(xiàng)撞擊，空氣入口及出口不宜選取面積較大的開洞，同時考慮盡量減少周圍廠房及風(fēng)速風(fēng)向的影響，入口采用創(chuàng)新性的“箱體”結(jié)構(gòu)，出口采用“雙環(huán)墻”結(jié)構(gòu)，換熱通道通過兩殼之間設(shè)計(jì)空氣導(dǎo)流板以構(gòu)建空氣冷卻的通道，如圖1所示，箭頭表示空氣自然循環(huán)的流向。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案AFig.1 System design scheme A

入口采用“箱體”結(jié)構(gòu)可以降低混凝土殼高度，降低造價，同時增強(qiáng)頂部擴(kuò)散區(qū)域的換熱強(qiáng)度。為了保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，“箱體”豎向采用雙層φ480×15等間距4°開孔的環(huán)形布置，底部采用雙層φ480×15等間距5°開孔的環(huán)形布置；豎向開孔采用向上45°傾斜以防止飛機(jī)撞擊后燃油等進(jìn)入殼內(nèi)。對于空氣出口，主要考慮防止飛機(jī)撞擊、燃油灌入及雨雪等異物進(jìn)入屏蔽廠房內(nèi)，設(shè)計(jì)空氣側(cè)出的“雙環(huán)墻”結(jié)構(gòu)，沿圓周布置8個1.2 m×2.2 m的孔洞，如圖1和2所示。空氣導(dǎo)流板底部設(shè)計(jì)導(dǎo)流筒以減少空氣流動阻力。

圖2 入口(左)和出口(右)示意圖Fig.2 Inlet (left) and outlet (right) schematic diagram

1.2 設(shè)計(jì)方案B

依據(jù)周邊廠房布置情況，將空氣入口設(shè)置在緊貼周邊廠房外側(cè)，盡量按照90°間隔布置四條底部通風(fēng)廊道和四個空氣入口，該設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案BFig.3 System design scheme B

依據(jù)廠址洪水位高度，將空氣入口設(shè)置在距地面一定高度。每條通風(fēng)廊道都是直向的，以盡量減少流動阻力。冷卻空氣從四個空氣入口進(jìn)入，經(jīng)過通風(fēng)廊道后在底部環(huán)廊混合，并經(jīng)過周向均勻布置的豎向孔洞(φ700×36)流入鋼殼與混凝土殼的環(huán)廊(兩殼環(huán)廊)，最終流經(jīng)鋼殼外壁面和混凝土殼內(nèi)壁面后，從頂部出口流出。圖3中箭頭表示空氣自然循環(huán)的流向。該方案直接利用兩殼環(huán)廊作為換熱通道，并提出工程可實(shí)施性的底部通風(fēng)方案，且無工程先例，與方案A的空氣出口設(shè)計(jì)相同，主要差異在于空氣入口和流道，該方案使用底部通道和兩殼環(huán)廊作為空氣流道，因此可以避免使用空氣導(dǎo)流板，可以節(jié)省龐大的安裝和維修工作量，提升經(jīng)濟(jì)性。

2 系統(tǒng)方案驗(yàn)證和評價

2.1 方案驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)方案的可行性，采用Gothic程序，其建模參數(shù)如表1所示，鋼殼自由容積為29 000 m3。

表1 小型堆結(jié)構(gòu)參數(shù)

依據(jù)某廠址的環(huán)境條件和苛刻的事故源項(xiàng)，進(jìn)行保守假設(shè)、分析和計(jì)算，得出事故工況下安全殼內(nèi)的壓力和露點(diǎn)溫度曲線，其結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 安全殼內(nèi)壓力變化曲線Fig.4 Pressure change curve inside the containment

圖5 安全殼內(nèi)露點(diǎn)溫度變化曲線Fig.5 Temperature change curve inside the containment

小型堆鋼制安全殼設(shè)計(jì)壓力和溫度分別為0.46 MPa和140 ℃，從圖4和圖5中可以發(fā)現(xiàn)，這兩種系統(tǒng)方案在事故下的最大響應(yīng)壓力均不超過0.22 MPa，最大響應(yīng)溫度均不超過100 ℃，在安全限值以內(nèi)，能夠滿足相關(guān)安全準(zhǔn)則要求，保證安全殼的完整性，因此這兩種方案均能滿足系統(tǒng)功能要求，且方案B優(yōu)于方案A。對于方案B，即使在極端氣象條件下，一個或兩個入口堵塞也不影響系統(tǒng)功能。

2.2 方案評價

通過上述計(jì)算和分析，可知兩種設(shè)計(jì)方案都是可行的。方案A與方案B的主要差異在于空氣入口和換熱通道，方案A的入口標(biāo)高高于方案B，數(shù)量多且布置均勻，其換熱通道通過空氣導(dǎo)流板構(gòu)建的，而方案B的入口標(biāo)高相對較低，數(shù)量少且受周邊廠房影響，其換熱通道直接利用兩殼環(huán)廊，避免了空氣導(dǎo)流板的使用。兩種方案經(jīng)對比后，其優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 兩種方案優(yōu)缺點(diǎn)

從安全性角度，兩種方案均能滿足系統(tǒng)功能要求。即使在惡劣環(huán)境風(fēng)的影響下，兩種方案也能維持系統(tǒng)換熱功率。從經(jīng)濟(jì)性角度，由于空氣導(dǎo)流板材料昂貴，且使用量巨大，使得方案B的成本低于方案A。從創(chuàng)新性角度，方案B結(jié)合工程實(shí)際情況，首次提出了具有工程可實(shí)施性的底部廊道通風(fēng)方案和鋼殼底部結(jié)構(gòu)方案，因此方案B的創(chuàng)新性優(yōu)于方案A。

3 結(jié)論

小型堆安全殼采用非能動空氣冷卻的方案是可行的。針對空冷思路，提出了兩種滿足系統(tǒng)功能要求且具有工程可實(shí)施性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案A和B，從安全性、經(jīng)濟(jì)性及創(chuàng)新性角度，經(jīng)過對比和分析，發(fā)現(xiàn)方案B更具有優(yōu)勢和競爭性，該方案避免了使用空氣導(dǎo)流板帶來的一系列工程難題，如抗震分析和安裝維護(hù)等，同時首次創(chuàng)新性地提出底部廊道通風(fēng)的空冷方案，并已應(yīng)用于實(shí)際工程。