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美国NuScale公司紧凑模块化反应堆介绍
2015-11-25 12:03:15 来源：CZEC 评论：0 点击：

NuScale小型反应堆，具备了鲜明的模块式特点。单个模块的发电功率为45MWe。其中，每个NuScale模块都具备自身的安全壳与反应堆系统，以及特定的汽轮发电机组。在一个装备了多模块的核电厂，单个机组的换料工作可以在不影响其他机组正常发电的状况下进行。

　　
一、NuScale公司简介

　　NuScale Power, LLC（以下简称“NuScale Power公司”）是美国一家致力于推广小型模块化反应堆并使之商业化的公司，其设计的小型反应堆名称为NuScale。该公司总部位于俄亥俄州，拥有70多名雇员。

　　2012年3月，DOE与NuScale Power签署协议，同意其在South Carolina的Savannah River 厂址建立一个示范工程。此外，South Carolina的经济发展项目——NuHub将支持NuScale从DOE募集资金。

　　NuScale Power预计，第1台NuScale机组将与2018年开始商业运行。

二、NuScale设计简介

　　1、NuScale设计概述

　　NuScale小型反应堆，具备了鲜明的模块式特点。单个模块的发电功率为45MWe。其中，每个NuScale模块都具备自身的安全壳与反应堆系统，以及特定的汽轮发电机组。在一个装备了多模块的核电厂，单个机组的换料工作可以在不影响其他机组正常发电的状况下进行。这充分保证了NuScale的正常运行时间和持续发电的可行性。

　　在设计方面，NuScale具备了多种创新性的设计。NuScale的核蒸汽供应系统集成了反应堆堆芯和蒸汽发生器的管束，并且其主冷却剂的循环完全依靠自然循环，从而完全消除了主泵与外部应急电源的使用。此外，NSSS与非能动余热排出系统均紧凑地布置于钢制安全壳内。

　　在制造工艺与维修方面，NuScale的反应堆模块，包括其安全壳及壳内的设备，均可以实现在制造厂的生产和预装。在设计参数方面，与标准的大型反应堆相比，NuScale在NSSS的尺寸、热功率、冷却剂和蒸汽压力方面，都有着相应的减少，并且在系统的设计方面，也有着创新性的简化。每个模块都装备了单独的汽轮发电机组和泠凝水泵/给水泵。在换料大修期间，整个汽轮发电机组都可以跟随单个模块被调换。

　　为了对NuScale的安全性进行有力的验证，OSU建设了一个1/3规模大小、电加热并完全一体化的试验设备，这套设备完全复制了NuScale的工艺系统，并在规定的温度和压力下运行。经过一系列的试验，已经证实NuScale的自然循环冷却系统可以安全可靠的运行，并验证了专设安全设施的有效性。

　　2、NuScale技术优势

        基于成熟的压水堆技术，并且已经被NRC和制造厂所熟知；
        小型模块化的特点，允许核电厂以增加模块的方式，不断加强核电站的发电能力和规模；
       简化设计——非能动的冷却方式（充分利用自然循环，消除主泵及厂外应急电源的使用）增强了反应堆的安全性；
        缩短了获得COL（建造及运行许可证）与COD（商业运行日期）之间的时间；
        换料时不会影响正常的发电工作，这使机组的运行更加可靠。

　　3、NuScale技术参数

NuScale主要技术参数
NuScale电站参数
标准电站的发电功率	540MWe
电站效率	28％
模块数目	1-12个
电站可利用率	＞90%
NuScale单模块参数
单模块热功率	160MWt
单模块发电功率	45MWe
容量因子	＞90%
运行压力	10.7MPa
堆芯进、出口温度	248℃/289℃
主冷却剂流量	约600kg/s
单模块重量	400吨
燃料富集度	UO₂, 4.95%
燃料组件	17×17标准燃料组件燃料组件数量：24根燃料元件棒长度：6英尺
控制棒组件	控制棒组件数量：16根控制棒驱动机构数量：4台
蒸汽发生器类型	两台立式、螺旋管形蒸汽发生器
蒸汽发生器传热面积	1624.2m²
蒸汽发生器给水温度	306K（33℃）
蒸汽性质	过热蒸汽
安全壳	高度：65英尺直径：14.5英尺形状：圆柱体安全壳
换料周期	24个月
制造工艺	可以在任何中等大小的设备厂进行锻造和建造
运输工具	驳船、卡车和火车

三、NuScale设计详述

　　1、NuScale工作原理

        压力容器布置在安全壳内
        一体化反应堆与安全壳全部浸没在地下布置的安全壳水池中
       利用自然对流过程替代设置主泵进行主系统冷却剂的循环

　　经过加热的堆芯冷却剂沿着反应堆压力容器的内部上升，当被加热的冷却剂进入到上升段的顶部位置，将被流过蒸汽发生器的二次侧冷却剂所冷却。冷却后的冷却剂的密度将增大，从而在重力的作用下，下行重新流回到反应堆底部，从而构成下一阶段的一次侧循环。

　　主系统与蒸汽发生器系统是两个独立的系统。经过堆芯加热后的冷却剂通过蒸汽发生器的管束将热量传递至蒸汽发生器二次侧。

　　在蒸汽发生器传热管内的水将变成蒸汽，蒸汽驱动汽轮机，通过与汽轮机轴相连的发电机，产生电力。在流过蒸汽发生器之后，蒸汽做功后能量降低，并在冷凝器内被冷却成液态，然后通过给水泵输送回蒸汽发生器，开始的一个新的循环。

　　2、反应堆结构一体化设计

　　NuScale采用了反应堆结构一体化的设计理念，将核蒸汽供应系统的主要设备——堆芯、控制棒驱动机构、稳压器及蒸汽发生器等集成了在了一个模块内，从而实现了小型反应堆的模块化制造、运输、安装及换料。

　　主要参数如下：

     压力容器外径2.7m，高13.7m，碳钢，壁厚7.6cm,内衬不锈钢
     稳压器加热装置
     蒸汽发生器
         两套螺旋形换热管
         两个给水入口
         两个蒸汽出口
     堆芯围板和上升管
     四台控制棒驱动机构（16根控制棒）
     两个排放阀
     安全壳壁厚3.175cm，高19.8m，碳钢
    总重量300吨

　　3、堆芯设计

     24盒17×17标准燃料组件
     活性区高度1.82m
     4台控制棒（束）驱动机构
     16根控制棒组件

　　4、专设安全设施

　　4.1 耐高压安全壳

　　NuScale的安全壳取消了保温层的设置，并且在正常运行期间，压力容器与安全壳之间处于真空状态。这种完全绝缘的真空状态，大大降低了压力容器与外界的对流换热而损失的热量。

这种设计具备以下特点：
     消除氢爆的发生（因为真空状态不再有可能与氢气反应的氧气）；
     提高了安全阀排放蒸汽至此区域时的蒸汽凝结速度；
     消除了潮湿性气体腐蚀安全壳内壁的可能；
     最大承受压力3.8MPa（此数值高于压力容器内全部气体均排放至安全壳内形成的压力）。

　　4.2 余热排出系统（The decay heat removal system， DHRS）

　　余热排出系统(DHRS)使用了两个螺旋式蒸汽发生器的管束进行热量的导出，从而将堆芯产生的热量导入至安全壳水池内。

　　在系统初始运行时，先由应急给水安注箱提供最初的冷却流量，满足热量排出的需求并逐渐使DHRS过渡到自然循环状态。随着应急给水安注箱释放冷却流量的结束，安全壳水池收集的水替代安注箱的流量进入蒸汽发生器带走堆芯产生的热量。经过蒸汽发生器的冷却流量，最终以蒸汽的形式从喷嘴中排出并重新在安全壳水池冷凝，从而进入到下一阶段的余热排出循环。

　　安全壳水池可提供三天的余热排出用水量。

　　4.3 安全壳热量导出系统（The containment heat removal system， CHRS）

　　当蒸汽发生器管束无法正常运转进而导致余热无法得到及时排出时，NuScale就会启动安全壳热量导出系统（CHRS）进行余热的导出。

　　通过开启位于压力容器顶端的反应堆排放阀，将一回路产生的蒸汽从压力容器内释放至安全壳内。释放的蒸汽在安全壳的表面遇冷凝结，并在冷凝后由位于安全壳底端的地坑收集。当液体在安全壳地坑内的高度超过了安全壳水池循环水阀的高度时，系统就会自动打开安全壳水池循环水阀，形成一个再循环流道进行非能动的冷却。

　　4.4 长期稳定的冷却方式

　　在反应堆停堆后，通过先后启动的三种方式进行堆芯余热的不断排出：

     冷却水的容量可以保证堆芯长达3天之久的冷却，此时余热产生的热功率由最开始的10MWt逐渐降低到0.8MWt；

     随着冷却水的不断消耗，安全壳冷却水池内的水开始沸腾，并保证冷却堆芯至30天；

     30天之后，通过空气冷却，足以保证小于0.4MWt热功率的余热冷却需求。

　　4.4 多道包容裂变产物的屏障

　　NuScale设置了多项能够包容裂变产物的屏障，并减小了源项，从而大大降低了堆芯熔化概率（CDF），进而缩小了应急计划的区域。这种设置对NuScale的安全性和经济性都有着更为积极的作用。

　　包容裂变产物的屏障示意如下图所示：

　　5、严重事故的预防和缓解

事故和威胁	NuScale的预防和缓解措施
地震、洪水、飓风、飞机撞击	核岛深埋地下的布置方案可以有效的防护强震及外部带来的威胁
全厂断电事故/丧失厂外电源	非能动的安全专项设施不需要任何厂内/厂外应急电源或柴油发电机
堆芯应急冷却	• 无需外部的安全性用水 • 安全壳完全浸没于不锈钢内衬混凝土冷却池内，并可以维持长达30天的冷却 • 空气冷却方式完全胜任后期的堆芯余热排出需求（余热排出30天以后）
安全壳一体化与最终热阱	• 安全壳不会产生易燃的氢氧混合物 • 无需外部干预
乏燃料水池一体化与冷却	• 布置于地下的保护结构内 • 其水容量/兆瓦热功率是常规核电站乏燃料水池的4倍

四、小结

　　NuScale小型堆经过近十年的研究和发展，通过对设计的不断改进和简化，已经在小型化、模块化、安全性等方面有了较为成熟的设计理念，是当今全球核电中较为先进的小型压水堆。

　　我们将继续关注NuScale小型堆在设计进度、资质审核以及前期工作等方面的进展，并在随后的工作中为您带来更进一步的调研和介绍。

五、参考文献
1、NuScale Power公司官方网站：http://www.nuscalepower.com/
2、国际原子能机构网站：http://www.iaea.org/
3、世界核协会网站：http://www.world-nuclear.org/
4、美国核管会网站：http://www.nrc.gov/

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