小型一体化压水堆主设备设计比较研究

林 千

(上海核工程研究设计院， 上海 200233)



核电技术

小型一体化压水堆主设备设计比较研究

林 千

(上海核工程研究设计院， 上海 200233)

归纳了世界主要一体化压水堆的主设备设计特征，对各种堆型的整体结构以及蒸汽发生器、主泵布置、控制棒驱动机构、稳压器等主设备的设计特征进行了阐述。通过比较分析各种方案的技术差异及潜在问题，为新型一体化压水堆主设备的研发设计提供指导。

小型模块式反应堆; 一体化压水堆; 主设备

小型模块式反应堆是近期国内外新型反应堆领域的研究热点之一。特别是采用一体化结构的小型压水堆，成为当前世界主流的研发堆型而被广泛关注。在常规压水堆中，反应堆压力容器、蒸汽发生器、主泵、稳压器等主设备是单体设备，它们之间通过管道相连，主冷却剂系统(RCS)由这些设备和相应的连接管道构成。与之相区别的是，在所谓的一体化压水堆中，蒸汽发生器、主泵等设备直接安装在压力容器内或压力容器上，取消了设备之间的连接管道，主冷却剂系统在压力容器内完成传热循环，形成高度集成的反应堆结构。

一体化反应堆具有结构紧凑、系统简单、安全性好等特点，某些设计理念反映了先进反应堆的发展方向。然而，世界上各种一体化压水堆的技术仍处于研究阶段，各种新型主设备的结构形式也千差万别。

笔者旨在对现有各式各样的一体化压水堆主设备结构设计方案进行归纳和比较分析，综合评述不同设计方案之间的设计特征、技术差异和优劣，为一体化压水堆的技术发展，特别是这种新型主设备的结构设计提供参考。

1 一体化压水堆整体结构特征

自20世纪60年代末，德国建成世界第一座一体化压水堆FDR，并成功应用到世界第一艘核动力商船上以来，一体化压水堆经历了近半个多世纪的发展[1]。文献资料表明，世界各国的核能研究机构提出了约40种一体化压水堆堆型或设计方案[2-5]。由于各种堆型的设计目标和要求不同，其主要技术指标和设计特征也存在较大差异，某些堆型随着其设计不断深化，技术方案也在持续演变。

图1为具有代表性的一体化压水堆整体结构和主要设备的布置形式[5-9]。

1—堆芯；2—蒸汽发生器；3—主泵；4—控制棒驱动机构；5—稳压器。

图1中可以直观看出一体化压水堆的典型特征，即蒸汽发生器、主泵、控制棒驱动机构、稳压器等主设备与压力容器集成为一个整体模块。然而，这些一体化压水堆，除了燃料堆芯结构与常规压水堆基本相同以外，其整体结构布局，各主设备的结构形式、布置方式、工作原理等，不仅与常规压水堆不同，而且它们相互之间也有较大差别。

从各种一体化压水堆的整体结构布局方式来看，多数将蒸汽发生器布置在压力容器筒体与堆芯吊篮之间的环腔内，如IRIS、SMART、IMR等；然而C.A.P、NuScale、mPower、W-SMR这三种堆型采用了不同的布局方式，它将蒸汽发生器布置在堆芯正上方。在相同功率条件下，前者的压力容器直径较大，后者的高度较大。直观上，这两类可称为矮胖型与高瘦型(图2)。

图2 两种一体化压水堆结构示意图

一般来说，高瘦型压力容器直径较小，将有利于设备的制造和运输；其主系统的自然循环带出衰变热的能力较强，也有利于反应堆安全。然而这种布局方式也带来相关工艺的调整。由于蒸汽发生器布置在堆芯正上方，其控制棒驱动机构、堆芯测量等将不能采用常规压水堆的布置方式。另外在换料过程中，需要将蒸汽发生器吊离，相关的工艺措施较复杂。不过，这种方式为蒸汽发生器在役检查、维修和更换提供了便利。

2 蒸汽发生器设计特征

蒸汽发生器是一体化压水堆中的最关键设备，其技术优劣和工程可行性对于反应堆总体方案起着决定性作用。在现有各种一体化压水堆中，除C.A.P系列堆型的蒸汽发生器与常规压水堆蒸汽发生器有相似特征之外，其他堆型中蒸汽发生器与常规压水堆有很大区别。在一体化压水堆中一般采用内置式蒸汽发生器，即蒸汽发生器布置在压力容器内，其结构形式、运行原理、传热管选型等方面有不同的设计特征，各具有不同的技术优劣。

2.1 结构形式

蒸汽发生器的结构形式与蒸汽发生器的布置方式是对应的。

对于蒸汽发生器布置在堆芯正上方的一体化压水堆(即高瘦型反应堆)，其蒸汽发生器主要由传热管、管板和二次侧筒体构成，二次侧筒体也是压力容器的组成部分。其传热管内是一次侧冷却剂，管外为二次侧流体，且采用大容积池式蒸发换热。这类一体化压水堆只有一台蒸汽发生器，由于蒸汽发生器缺乏冗余，某些瞬态事故(如主蒸汽管道断裂)对系统的稳定运行和反应堆的安全性有较大影响。

对于蒸汽发生器布置在压力容器与吊篮之间环腔内的一体化压水堆，其蒸汽发生器一般是多组独立封装的、浸没在主冷却剂中的传热管束。其传热管内是二次侧流体，管外为一次侧流体。由于传热管受外压，在长期运行中传热管表面的微裂纹生长受到抑制，故一般认为这类蒸汽发生器发生传热管断裂(SGTR)事故的可能性较低。然而，由于传热管受外压，为避免薄壁外压管发生轴向失稳，传热管的设计壁厚比受内压时大，这将引起传热热阻的增加。另外，在传热管与管板组装过程中，常规压水堆中的胀接工艺可能不适用。这类蒸汽发生器可以采用多模块组合安装，即在吊篮与压力容器的环腔之间周向布置多台并列的蒸汽发生器。

2.2 运行原理

根据其运行原理，一体化压水堆蒸汽发生器可分为直流蒸汽发生器和饱和蒸汽发生器。

直流蒸汽发生器(OTSG)，即二次侧给水一次性通过蒸汽发生器，受热后全部变成蒸汽进入汽轮机。对于上述传热管内为二次侧流体的蒸汽发生器，一般采用直流运行方式，如IRIS、SMART等。由于从直流蒸汽发生器中产生的蒸汽为过热蒸汽，不需要设置汽水分离装置，使得蒸汽发生器的结构简单、体积小，从而有利于一体化。然而，直流蒸汽发生器不能实现二次侧在线排污，给二次侧水质控制带来挑战；另外由于二次侧水装量较少，系统的稳定性差，运行控制策略需要特别关注。mPower也采用了直流蒸汽发生器，但其传热管内为一次侧流体，它具有不同的特性。

饱和蒸汽发生器的运行原理与常规压水堆相似。C.A.P系列堆型将常规的倒U形管式饱和蒸汽发生器直接扣在压力容器上，形成了独具特色的一体化压水堆。W-SMR直管蒸汽发生器结构与mPower相似，但其运行原理完全不同。实际上它是一种外循环分体式饱和蒸汽发生器，其传热管束设置在压力容器内，而汽水分离装置设置在压力容器外。

2.3 传热管选型

各种蒸汽发生器分别采用了U形管、盘管、直管、套管等不同形式的传热管。

U形管在常规压水堆蒸汽发生器中具有非常成熟的工程应用经验，其优势是轴向的热胀自抵消，减轻了传热管两端连接处的应力集中。然而U形管在现有一体化压水堆的蒸汽发生器设计中少有采用。除了C.A.P系列外，IMR也采用了一种立式正U形管直流蒸汽发生器，其U形管内是二次侧流体，二次侧流体先下降后上升，传热过程是双流程。

一体化压水堆中采用盘管设计方案的较多，如SMART、IRIS、MRX等。盘管(即螺旋管)具有周向自由膨胀特性，可避免传热管两端应力集中。盘管式蒸汽发生器又分为小盘管和大盘管两种。小盘管是模块式结构，每个模块的传热也是相互独立的。大盘管为整体式结构，其盘管环绕吊篮构成。由于盘管式蒸汽发生器多层传热管相互交错，每层传热管的升角、曲率都不同，传热管束的制造、安装工艺及管内探测和在役检查工艺相对于直管或U形管更复杂。

某些一体化压水堆蒸汽发生器采用了直管，如mPower、W-SMR等。直管式蒸汽发生器的优势是制造工艺简单、传热管在役检查方便。由于轴向热胀不一致，直管式蒸汽发生器的传热管与管板连接处存在应力集中问题。mPower蒸汽发生器继承了巴威公司独有的直管式直流蒸汽发生器技术(如三里岛机组)，采用蒸汽回流加热容器壁，补偿容器壁的热胀，从而消除或减轻了应力集中。W-SMR蒸汽发生器也采用了直管，但由于它采用饱和运行方式，二次侧流体大部分处于饱和温度，传热管两端的平均温差较小，使得传热管与管板连接处热应力不明显。

RITM等堆型采用了一种独特的套管式蒸汽发生器，其传热管是双层管结构。由于双层管两面换热特性，其单位体积内的换热面积近似增加一倍，因此这种蒸汽发生器结构紧凑、换热效率高。套管式蒸汽发生器的关键技术在于传热管的封装与焊接。因此，传热管材料的选择对于蒸汽发生器的使用寿命和可靠性及其重要。

3 主泵布置设计特征

在一体化压水堆中，主冷却剂的传热循环是在压力容器内完成。根据主冷却剂循环的驱动方式可分为强迫循环和自然循环两种类型。

采用自然循环的一体化压水堆不需要设置主泵，可简化系统。NHR、NuScale、CAREM、ABV等堆型都是自然循环式一体化压水堆。由于泵失效引起的故障被排除，因而其固有安全性更好。然而，采用自然循环相对于强迫循环其传热效率较低，相同的堆功率往往需要更大尺寸的设备。

采用强迫循环的一体化压水堆，需要在压力容器内或压力容器上布置主泵。根据泵的布置形式，又可分为外置式、插入式、内置三种方式。

外置式即主泵布置在压力容器外，一般采用短套管将泵壳与压力容器连接，如RITM堆型等，其布置技术难度小。

插入式主泵是将主泵的叶轮插入压力容器内、驱动电机布置在外。大部分一体化压水堆采用了这种类型，如SMART、W-SMR等。对于插入式布置，不同堆型又根据各自的设计要求和总体特征，分别采用了立式和卧式两种主泵布置方式。

内置式主泵是将主泵完全布置在压力容器内。IRIS等堆型采用了内置式主泵。采用内置式布置可减少大口径的压力容器贯穿，对于增强压力容器的完整性和提高反应堆的安全性非常有益。然而泵完全浸没在主冷却剂中，需要克服高温轴承、高温电磁线圈等技术难题。另外，主泵相关的电气控制系统、主泵在役检查和维护也面临挑战。

4 控制棒驱动机构设计特征

总的来说，根据控制棒驱动机构布置方式，分为内置式和外置式两类。

所谓外置式是将驱动机构布置于压力容器外，即类似常规压水堆中的布置方式，这类控制棒驱动机构具有良好的运行经验。大多数一体化压水堆采用了外置式控制棒驱动机构。

内置式是将驱动机构布置在压力容器内，从而消除压力容器上封头驱动线的贯穿，增强压力边界的完整性。内置式控制棒驱动机构从根本上避免了弹棒事故的发生，从而提高反应堆安全性。

因此，在某些一体化压水堆中，提出了新型的内置式控制棒驱动机构设计方案。根据驱动机构的运行原理，内置式控制棒驱动机构主要包括两类：电力驱动式和水力驱动式。电力驱动式机构是以电机或电磁为主要驱动装置的控制棒驱动机构。MRX采用了一种新型的电机驱动的内置式机构，由直流屏蔽电机、带滚珠勾爪、螺杆构成。水力驱动式机构的基本原理是利用水流产生的压头来推动驱动线动作。水力驱动式不需要在压力容器内布置电磁线圈，然而需要在外部布置一套水压驱动与控制系统。我国NHR控制棒驱动机构就采用了这种运行原理。

尽管内置式控制棒驱动机构相对于外置式有一定优势，然而在设备检修、运行可靠性等方面仍存在不足。目前内置式控制棒驱动机构的实际运行经验不多，一些新型内置机构还处于研发阶段。

5 稳压器设计特征

大部分一体化压水堆将稳压器内置于压力容器内，从而去除了稳压器波动管，进而降低了发生破口事故的可能性，提高了安全性。一般在压力容器顶盖处设置一定的空腔和水容积实现系统稳压。

各种内置式稳压器运行原理也不尽相同。大多数一体化压水堆采用了常规压水堆的饱和蒸汽稳压方式，即通过电加热和喷淋来实现压力调节控制；IRIS利用大容积稳压器的缓冲和自稳定性；CAREM、NuScale等自然循环式的一体化压水堆采用了蒸汽自稳压方式来实现其压力控制。后两类不需要设置电加热和喷雾装置，简化了系统。另外也有部分一体化压水堆采用了氮气稳压策略，或汽-气混合稳压策略，通过外接氮气系统来实现压力控制。

6 压力容器设计特征

一体化压水堆的压力容器本质上与常规压水堆的压力容器相同；但由于一体化压水堆将某些主设备内置，且主冷却剂在压力容器内循环，因此堆内结构比常规压水堆复杂。另外，为包容内置设备，压力容器的尺寸相对较大。一般来说十万千瓦级一体化压水堆(如SMART)的压力容器与百万千瓦级常规压水堆的压力容器尺寸相当。由于受制于压力容器大型锻件的制造能力，一体化压水堆的设计功率也受限，故一体化结构一般只适用于小功率压水堆，大型压水堆难以采用一体化结构。

为适应主设备的布置，各一体化压水堆的压力容器设计细节稍有不同，如在某些设计中，压力容器上封头为平板型结构、下筒体为锥型结构等。另外，某些设计还采用了双重压力容器(或高压保护容器、小型安全壳)方案来增强实体包容边界的完整性，如NHR、NuScale等。

7 结语

纵观世界一体化压水堆的发展历程，除少数几个堆型有实际工程应用案例外，大部分堆型仍处于概念研发阶段。新型主设备的开发仍是当前一体化压水堆技术走向实际工程所面临的关键技术难题。尽管当前世界各核能研发机构在一体化压水堆设计中提出了多种全新的主设备方案，然而这些设计方案的合理性、可行性及实际运行效果，仍需要在长期实践中检验。新型核电设备不仅要原理可行，而且要可设计、可制造、可检查、可维修。从概念方案到实际工程应用全部走通，或许只是第一步，长期在堆运行效果、运行可靠性、维护便利性才是评价该新型技术方案优劣的最终标准。

目前，世界上一体化压水堆的技术发展仍处于“探路”阶段，各研发机构提出的多种可选的技术方案或设计构想，各具有不同的设计特征。本文从压力容器整体结构、蒸汽发生器、主泵布置、控制棒驱动机构、稳压器等方面比较了各种一体化压水堆主设备设计方案的技术差异，分析了各方案固有的技术优势和劣势、以及它们可能存在的技术问题和挑战，为新型一体化压水堆主设备的研究设计提供指导。

然而，单个设备的方案设计并不是独立进行的，而是需要与总体技术方案相匹配的；并且，单个设备技术方案存在的劣势和短板也可能从其他系统的设计方案中得到平衡和补偿；只有各系统、各设备方案相互配合支撑，才能发挥良好的综合效果。相对来说，在总体层面的平衡与取舍，更大程度地影响了设备设计方案的选择。特别是在方案研究的初始阶段，宜根据预期的应用领域和潜在需求，充分认识各类设备、各种选型方案的技术特征和优劣，从设计、运行、在役维护等多个维度在顶层做好总体平衡。这是新型核电设备设计、乃至一体化压水堆总体方案设计的关键。

[1] 陈世君. 国外舰船一体化压水堆技术发展趋势及其应用前景[J]. 国外核动力, 2003 (1): 2-11.

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Study on the Design of Main Components for Small Integral PWRs

Lin Qian

(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200233, China)

An introduction is presented to the design features of main components for new concept integral pressurized water reactors (PWRs), including the design features of integral structures for various types of reactors as well as that of other main components, such as steam generator, reactor coolant pump, control rod driving mechanism and pressurizer, etc. Meanwhile, a comparative analysis is made on technical difference and potential problems of various schemes, which may serve as a reference for research and development of main components for new integral PWRs.

small modular reactor; integral PWR; main component

2016-07-15；

2016-08-05

上海市青年科技启明星计划(12QB1402100)；国家核电技术公司员工自主创新课题(SNP-KJ-CX-2014-17)

林 千(1982—)，男，高级工程师，主要从事新型反应堆研究。E-mail: linqian@snerdi.com.cn

TL351.6; TL353.1

A

1671-086X(2017)03-0171-05