高溫氣冷堆主設備重要經驗反饋及設計優化

中核蘇能核電有限公司 劉汝衛 劉得印 韓 偉

在清華大學10MW高溫氣冷實驗堆的基礎上，反應堆功率放大20倍，20萬kW級的石島灣高溫氣冷堆示范工程（HTRPM）于2012年12月開工建設，于2023年12月完成168h連續運行考驗，并正式投入商業運行。同時，為了進一步推廣高溫氣冷堆的發展和市場應用，60萬kW高溫氣冷堆（HTR-PM600）已進入施工設計階段，后續將按計劃開展建設任務，可用于發電、高溫工藝供熱及高溫制氫等領域。

1 HTR-PM整體調試及運行情況

主氦風機、蒸汽發生器、控制棒、吸收球等核島主系統和設備運行正常。燃料裝卸系統自動運行，每天換料速度平均可達5000球/堆，裝卸超過100萬個燃料球。余熱排出、負壓通風、設冷水、支撐冷卻、一二回路隔離、蒸發器事故排放等系統運行正常，儀控和反應堆保護系統運行正常。汽輪發電組、主給水、軸封及真空等主輔系統整體滿足要求。一回路劑量水平和雜質含量、廠房劑量水平、水汽油品質等參數整體滿足要求。

2023年8～9月，HTR-PM機組1號堆緊急停堆試驗與2號堆緊急停堆試驗順利完成，反應堆在200MWt功率水平下安全停堆，反應堆物理、熱工參數符合設計要求。2023年8月，HTR-PM機組失去廠外電源試驗順利完成，通過失去廠外電源試驗，證明了機組在喪失廠外電源工況下依舊能夠實現安全停運、余熱導出，檢驗了高溫氣冷堆失電事故工況下的安全性，也為后續機組的安全穩定運行奠定了堅實基礎。這期間HTR-PM也出現了較多寶貴的經驗反饋，對后續高溫氣冷堆的發展有著重要的借鑒意義，特別是主設備在調試期間出現的一些問題，下文將展開詳細的說明及分析。

2 高溫氣冷堆重要經驗反饋及設計優化

2.1 燃料裝卸系統換料能力不足問題

2.1.1 問題描述

HTR-PM及HTR-PM600均為模塊式球床高溫氣冷堆，采用在線連續裝卸料的方式，每個反應堆的燃料裝卸系統每天循環6000個燃料球，并將達到燃耗的400個乏燃料球卸出，同時補充相應數量的新燃料球，實現不停堆換料。在德國高溫氣冷堆AVR堆內也采用了不停堆的連續裝卸料，其運行經驗表明這種系統運行是成功的和可靠的，在核電廠中采用不停堆的連續裝卸料可以顯著提高電廠的運行利用因子。

高溫氣冷堆燃料裝卸系統作用是從反應堆底部利用堆芯卸料裝置卸出燃料球，燃料球在燃料裝卸系統管道內依靠重力流動，經過碎球分離器、燃耗測量定位分配器、阻流器后，在系統最低點，通過高壓氦氣，將可再利用或新加入的燃料球，在燃料裝卸系統管道內提升至反應堆頂部落入堆芯，從而實現不停堆連續換料。通過分析HTR-MR燃料裝卸系統的運行數據，重點對換料速度、一回路壓力及總偏差量（對應反應性）等數據進行統計，確認了燃料裝卸系統在較高參數（6～7MPa）下存在換料能力不足的問題，平均為4500～5000球/天·堆，無法達到設計的6000球/天·堆。換料能力達不到設計值，導致堆芯反應性不足，這也限制了機組的滿功率運行。

2.1.2 設計優化

針對該問題，為進一步提高系統的運行可靠性和換料能力，HTR-PM600燃料裝卸系統流程中主循環的提升球路由原先2列調整為4列，理論上換料速度可達10000～12000球/天·堆，不僅滿足了平衡堆芯時6000球/天·堆的運行需求，也能滿足過渡堆芯階段更高換料速度的要求。為了更好地布置設備和管路，原先的核島廠房最底層標高由-15m調整為-20m。

方案以HTR-PM燃料裝卸系統為基礎，并充分參考示范工程的良好改進經驗后，進行設計優化，就每個反應堆模塊的主循環子系統及其流程而言，設備及管路配置為：堆芯→1臺堆芯卸料裝置→兩列卸料管路→2臺碎球分離裝置→2臺分配器→4臺燃耗測量的定位分配器→4臺阻流器→4列提升管路→4臺停球器→2列進堆管路→1臺堆芯進料裝置→堆芯。

2.2 高溫氣冷堆啟停速度時間過長的問題

2.2.1 問題描述

蒸汽發生器蒸汽出口管嘴由主蒸汽管板、主蒸汽管嘴法蘭、主蒸汽聯箱、主蒸汽管嘴等部件組成，主蒸汽管嘴法蘭是連接蒸汽發生器內件、殼體和蒸汽管道的部件。內件通過主蒸汽管板與主蒸汽管嘴法蘭焊接，殼體通過主蒸汽管嘴、主蒸汽聯箱與主蒸汽管嘴法蘭焊接，主蒸汽可拆管段通過法蘭與主蒸汽管嘴法蘭連接，結構如圖1所示。

圖1 主蒸汽管嘴的熱袖式結構簡圖

HTR-PM正常運行工況下蒸汽溫度571℃，壓力14MPa。主蒸汽管嘴為Incoloy-800H材料，為連接一二回路最大的高溫、承壓安全1級部件。由于高溫氣冷堆特殊性，蒸汽出口相關部件采用“熱袖”式結構，以減少與蒸汽接觸的高溫部件向殼體直接傳熱，實現穩態運行時溫度場的緩慢過渡和熱應力的合理分布。

由于Incoloy-800H合金導熱系數較低，且熱膨脹系數較高，Incoloy800H與殼體材料SA508-3相比，導熱系數低（0.5倍），熱膨脹系數高（1.2倍），經設計方計算在穩態及啟停堆溫度變化過程中，“熱袖”結構中溫度梯度過大，導致主蒸汽管嘴法蘭中存在較大的熱應力，外端出現了整個截面屈服的情況，無法通過ASME-Ш-NH分卷中規定的限制條件。綜合分析，影響HTR-PM啟停堆時間與蒸發器出口溫度的主要制約因素為蒸發器主蒸汽管嘴區域熱應力。

HTR-PM為保障蒸發器出口管嘴不出現應力超標問題，需延長升降溫度時間。在反應堆啟動時，蒸發器出口溫度由160℃達到520℃時，需約180h；在反應堆停堆時，蒸發器出口溫度由520℃達到160℃時，約120h。示范工程在蒸發器熱袖處加伴熱及保溫后，升降溫的速率已有較大的提升。主要是通過控制熱袖內外桶溫差，并且限制蒸發器最高出口溫度不超過540℃。

2.2.2 設計優化

現有蒸發器出口管嘴的結構導致高溫氣冷堆啟停堆時間過長，在工程角度上是不可接受的，嚴重降低了機組的能力因子和經濟性。為避免HTRPM600蒸發器出口管嘴出現同樣問題，對主蒸汽管嘴結構進行了設計優化，主蒸汽管嘴法蘭的端口內徑由627mm縮小至500mm，原先的“熱袖圓柱”結構優化為“熱袖錐桶”結構，可大幅度降低啟停堆過程中主蒸汽管嘴法蘭處熱應力值，啟停堆時間預計可縮短三分之一。同時，通過提高啟堆時的給水溫度，并結合優化后的小流量冷卻系統，可以進一步縮短啟停堆時間。

2.3 堆芯旁流偏大問題

2.3.1 問題描述

HTR-PM調試過程中，由于堆芯氦氣旁流偏大以及過渡堆芯的功率不均勻性，導致反應堆暫時不能實現額定功率，一二回路參數也未達到設計值，2022年12月雙堆先后實現初始滿功率，以1號堆為例，反應堆功率達到200MWt（設計值250MWt），熱氦溫度為544℃（設計值750℃），蒸汽溫度為500℃（設計值571℃）。

HTR-PM盡管已經采取了多種工藝控制措施來防止堆芯氦氣旁流，如石墨磚之間連接靠榫/鍵實現、上下兩層石墨磚的孔道接口處設計有60mm高的套環等。但由于石墨塊加工偏差、安裝縫隙、密封材料限制、熱脹冷縮產生的間隙等多種因素，導致HTR-PM堆芯旁流較設計值有較大偏差。根據壓力、熱氦溫度、冷氦溫度、主氦風機壓升、一回路流量等運行數據，開展了不同功率水平下的一回路壓降分析，初步判斷旁流值超過了10%的設計值。反應堆的運行需要維持功率以及球床部分有效流量的穩定，當旁流量過大時，流經球床的流量減小，使得球床中燃料元件正常運行時的溫度升高，如果旁流量太大，就可能會影響反應堆的安全。

2.3.2 設計優化

針對該問題目前已制定相應措施，主要是采取一些減少堆芯氦氣旁流的措施，包括通過減少方鍵倒邊尺寸來減少石墨側反射層旁流、通過增加密封條來減少石墨頂反射層旁流、取消冷氦孔道金屬連接管、優化熱氦氣出口碳環結構及優化上下金屬限流環組件等。下文對“減少方鍵倒邊尺寸”進行介紹說明：石墨磚之間的連接，是靠石墨制的鍵實現的，地震載荷主要作用在鍵上。因此，合理的設計鍵結構能夠起到防漏作用，以便減少冷卻堆芯氦氣的旁流損失。HTR-PM為了便于方鍵的安裝，方鍵倒邊尺寸設計為5×20mm，但倒邊尺寸較大，上下兩個方鍵相接后會形成一個較大的三角形流道，在此形成氦氣旁流，不能有效將堆芯熱量帶出。通過減小方鍵倒邊尺寸（1.5×1.5mm）等設計改進措施，可有效減少石墨側反射層旁流。

2.4 壓力容器承重支承高度調整墊板錯動量超差問題

2.4.1 問題描述

2021年1月22日，HTR-PM現場進行2號堆一回路熱行為試驗。在對反應堆壓力容器承重支承測量時，54°方向承重支承高度調整墊板與支承座墊之間相對位移量為9.15mm，其他3個高度調整墊板位移量滿足設計要求。檢查發現2號堆54°高度調整墊板處8個定位銷均已斷裂。每個高度調整墊板采用8個定位銷，在支承座墊上進行定位。定位銷直徑為15mm，高度根據調整墊板厚度進行配做。高度調整墊板定位銷的主要作用是在安裝過程中實現高度調整墊板的定位，保證壓力容器的安裝精度，正常運行時限制高度調整墊板與支承座墊之間的移動（如圖2所示）。

圖2 反應堆壓力容器承重支承示意圖

調整墊板錯動量超差的直接原因為壓力容器設備在升溫升壓過程中發生膨脹，當反應堆壓力容器膨脹時，支承耳架沿徑向向外滑動，由于54°位置支承耳架與高度調整墊板之間的摩擦力，大于高度調整墊板與支承座墊之間的摩擦力，高度調整墊板隨同支承耳架沿徑向在支承座墊上滑動，產生位移，同時高度調整墊板對定位銷產生了剪切力，當該剪切力超過定位銷剪切強度，導致定位銷斷裂。

2.4.2 設計優化

在HTR-PM600設計過程中，充分借鑒行業內成熟做法和良好實踐，對承重支承處的調整墊板進行設計復核，加強墊板的固定措施，將8根φ15mm定位銷尺寸調整為φ20mm，并考慮合理的工藝措施以減小摩擦面的摩擦阻力，確保支承耳架在支承座墊高度調整墊板上可以沿著壓力容器的徑向滑動，避免類似問題重復發生。

2.5 反應堆壓力容器卸料管在役檢查困難

問題描述：壓力容器卸料管貫穿于反應堆壓力容器艙室和裝卸料循環主艙室。位于反應堆壓力容器艙室的卸料管采用鉛沙進行屏蔽；位于裝卸料循環主艙室的卸料管則采用卯榫結構連接的碳鋼進行屏蔽。卸料管焊縫所在區域被屏蔽遮擋，在不排空燃料元件的條件下無法在役檢查，移除屏蔽組件后，劑量高達400Sv/h，人員無法接近。設計優化：反應堆壓力容器底封頭及卸料管嘴接管改為整體鍛件，焊縫由4條減少至1條，減少在役檢查工作量，并在外側屏蔽體上預留在役檢查的通道，為將來的役檢工作創造良好的條件。

3 整體評價

HTR-PM在2022年年底雙堆先后階段性實現200MWt初始滿功率，并在2023年12月兩個反應堆模塊同時實現2×200MWt初始滿功率后正式投入商業運行，蒸汽溫度520℃，發電功率達到150MWe。在兩個反應堆模塊接近或進入平衡堆芯后，可進一步提高功率，爭取達到2×250MWt，蒸汽溫度達540℃，發電功率達到200MWe，實現平衡滿功率。