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中核集团推进小堆ACP100自主研发工作

        发布时间:2018-09-07 09:57        编辑:北极电力网
    在发展清洁能源已经成为时代主题的今天,除了大型核电站成为世界上不少国家追捧的对象以外,对于小型反应堆的开发利用也日渐成为国际市场上一道亮丽的风景线。

      按国际原子能机构(IAEA)定义,小型堆是指电功率在30万千瓦以下,采用模块式设计、单堆功率较小的一体化反应堆。同时,它还具有多项功能。“小堆不仅仅可用于发电,还可以综合利用,如供暖、海水淡化、制冷、工业用热、为海上平台提供能源、为破冰船提供动力。”中国核电工程有限公司小堆ACP100项目设计经理李云屹介绍说:“它既可以作为大电站的补充——建造于远离主电网的偏远地区,又可以满足特殊市场及特殊用户需求。”

      小堆的多元化用途,让世界各国看到了“开创核能利用新时代”的美好前景,美、韩、俄、阿根廷等国都在投入大量人力物力,积极开展小堆的研发、推广、建设,以抢占市场和科技制高点,占据先发的主动权。

      而在这条赛道上,由中国核电工程公司设计总承包、中国核动力研究设计院负责科研的中核集团多用途小型模块式反应堆ACP100项目正开足马力、加速前行。“ACP100的标准设计报告已于去年年底完成,今年下半年,我们将针对备选厂址做工程初步设计。”中核集团ACP100科研专项总设计师宋丹戎介绍说:“在国际上,我们研发的进度可以说是领先的。”的确,放眼国外,韩国虽已完成标准设计,并获得标准设计合格证,但仅止于此,尚无厂址供其开展工程设计。美国尽管积极推动小堆研发,但目前还处于概念设计阶段。

      领先的进度为中核集团未来抢滩小堆市场打下了良好的基础。而这一成绩的取得正是源于早先中核集团对于小堆价值的敏锐把握: 2010年6月,多用途模块式小型堆ACP100被设立为中核集团重点科技专项。随后,中国核动力院与中国核电工程公司成立研发团队,并立刻投入到自主研发设计工作中。2010年底完成小堆ACP100顶层设计,2011年完成方案设计,2012年底完成标准化设计。这看似惊人速度的背后并非 “弱化了技术追求”,恰恰相反,“在依托20多年关键技术研究的基础上,每一个设计环节都是精益求精。”中核集团核动力事业部副主任、ACP100科技创新示范工程项目总指挥程慧平表示。

具有前瞻性的选择

      随着西屋公司AP1000非能动安全系统的面世与推广,“非能动”理念已深入贯彻到三代核电堆型设计中,同时也成为最先进安全系统的代名词。ACP100同样融入了这一设计理念。 “‘非能动’就是自然现象,如同水从高位自然流下来一样,失效的概率很低,可以保证反应堆更加安全。” 宋丹戎介绍说。

      事实上,“虽然ACP100项目 2010年才立为专项,但其技术研发已有20多年。”核动力院小堆专家罗树新介绍说。成熟的技术基础让ACP100有着先天的优势,进一步融入“非能动”理念,无疑又大大提升了ACP100的安全值。

      前瞻性的选择,让非能动安全系统在2010年ACP100立项之初便纳入其方案设计中,同时也成为ACP100科研团队创新研发的亮点之一。在2011年发生在日本福岛的核事故,究其原因就在于其反应堆依靠的外力——柴油机被洪水淹没,无法发电,最终致使主泵不能为反应堆提供冷却水而导致核泄漏。而非能动安全系统恰恰规避了这一风险,形成了反应堆不依赖外力——电源实现冷却的功能。

      当然, ACP100引入的非能动安全系统并非是简单的“拿来主义”。 与大核电非能动安全系统相比,“它们只是物理原理一样,其系统设计完全不同。” 宋丹戎表示。ACP100的特点之一是反应堆一体化布置,将堆内核心设备集成为一体,同时取消主管道。这与大电站结构截然不同。也因此,“我们要根据小堆自身的特点重新设计。” 宋丹戎说。

      没有可参考借鉴的实物,也没有可请教的专家,ACP100研发团队只能在摸索中前行。从确定系统方案、系统参数及容量,到关键阀门的设计及研制,再到每一根管道的长度及内径大小,每一个设计环节研发人员都要反复测算,以确保万无一失。

打造更牢固安全屏障

      可以说,日本福岛核事故的发生,催生了ACP100的布置方式。“纵观以往的发展形态,对于小型堆的布置各国并不相同,比如美国是选择将小堆埋于地下,而韩国的设计却是将其布置在地面之上。” 宋丹戎介绍说。福岛事故前,ACP100项目组对于布置方式还在多方考量之中。而后福岛时代对于安全更加强化的要求,导致国内外压水堆核电站设计的趋势,是将核反应堆压力容器安装标高尽量降低。作为压水堆型的ACP100 “选择将其埋于地下更多地还是出于对安全的考虑。”李云屹说。

      2012年1月, 经中核集团评审,最终确定了ACP100整个反应堆厂房全部降入厂平标高以下的方案。

      这样做的优点是:有利于取消厂外应急和防范飞机撞击等外部事件;岩体可以作为额外的一层安全屏障,形成安全壳、核岛厂房、岩体对反应堆的3层保护,更加安全。

      可以说,福岛核事故已经成为业界提升安全水平的殷鉴。“福岛事故给我们上了一堂警示课,促使我们全面反思、巩固ACP100的安全性能。” 宋丹戎说。事故发生后,研发人员有针对性地对ACP100进行了安全设计改进:增设厂房外备用安全水池,通过重力向安全壳水池和乏燃料水池补水;适当加大安全壳的自由容积,降低在极端情况下的安全壳压力;增设安全壳向水池的泄压排放接口等。

      “这些改进结果并非一蹴而就。记不清我们与集团、核动力院专家、领导有过多少次方案讨论。总之是讨论修改计算,再讨论再修改再计算——直到解除潜在安全风险。” 宋丹戎表示。“所做的这一切都是出于让小堆ACP100更加安全。” 程慧平说。

克服困难不断前行

      今年5月,针对已提出项目建议的备选厂址,研发团队完成了ACP100工程总体设计,并转入工程初步设计阶段。ACP100的开工建设已迈出了实质性的一步。

      稳扎稳打的进展,让ACP100研发团队信心倍增的同时也感慨不已。可以说,“ ACP100是百分之一百的自主研发。” 罗树新说。而“自主创新就意味着走上了一条前所未有的道路,在这里,随时会遇到从未遇到的问题,而我们所要做的就是克服眼前的困难,不断前行。” 宋丹戎说。

      作为ACP100七大试验之一,控制棒驱动线冷态试验是验证控制棒驱动机构等设备的重要试验,通过测量控制棒落棒数据,为驱动线的定型、优化设计和安全评审提供试验依据。

      其实,对于核动力院而言,控制棒驱动线冷态试验已经开展过多次试验。但因反应堆结构不同, ACP100试验件与其它电站有着很大不同,也正因此,试验件的设计、制造、安装要重新开始。这也相当于一次全新的挑战。

      挑战之一是试验件是历次同类试验中最长的一次。由于小堆采用了一体化设计,仅驱动杆就长达8米,整个试验件更是长达14米。

      挑战之二是试验件结构复杂。试验所采用的反应堆内其中一组驱动线,包含了燃料组件、导向组件、驱动机构、控制棒组件等驱动线组成部件。而其加工精度和安装要求与原型相同,模拟原型结构的同时还要考虑多个参数测量问题。

      新型驱动线的设计、试验件的设计和试验方案设计几乎同步进行。试验相关人员在项目一开始就详细了解试验要求、驱动线各部件的结构和部件间的接口,以把试验件设计和试验方案设计结合起来。既要考虑测试手段的可行性,又要尽量不改变驱动线的结构及运行环境,还要考虑试验现场的安装条件。为确保设计切实可行,每一个测量方案的制定都经过历史资料调研、课题组讨论、厂家咨询、与任务方交流评估、勘察现场等多个环节。

      “控制棒驱动线冷态试验要求2013年6月全部完成,否则会影响后续试验进度。为了保证试验进度要求,课题组人员从2012年10月到今年1月完全放弃了节假日,全力以赴进行试验。”核动力院反应堆工程研究所流体力学研究室副主任蒋贤国说:“历经几个月的奋战,最终,我们按进度完成了全部试验内容。”

      从某种程度上讲,“小堆没有内陆和沿海的限制,有其特有的发展前景。”中国工程院院士叶奇蓁表示。自身的优势、稳步的推进和远景的可期让ACP100“开创核能多用途新时代”渐行渐近。但不容忽视的是, ACP100前行的道路上仍存在“障碍”:目前国内还没有针对小堆的安全特点和应用条件而设置相关法规和安全评审标准。小堆能否尽快纳入国家核能发展规划,能否得到工程建设资金、销售电价和税收方面的支持,都有待国家的政策。无论如何,先行一步的ACP100项目已经做好了抢滩市场的准备。

 
 

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