核电机组非能动技术的应用及其发展

（本文文字摘自《中国电机工程学报》2013年33卷8期，作者：周涛1，李精精1，汝小龙1，盛程1，陈娟1，黄彦平2，肖泽军2；1．华北电力大学核热工安全与标准化研究所，北京市 昌平区 102206；2．中国核动力研究设计院空泡物理和自然循环国家重点实验室，四川省 成都市 610041)

摘要：非能动技术日益成为先进核电设计及安全保障的重要标志。通过辨识非能动与广义非能动的概念，指出其特征及关联性，明确非能动与能动概念的辩证统一。将非能动技术划分为12 种类型：自然循环类；重力作用类；惯性作用类；温差传递类；材料效应类；体积变化类；虹吸效应类；密度锁类；负反馈类；压力作用类；逆止阀类；氢气复合(点火)器类等。划分了非能动技术历史包括诞生阶段，辅助阶段和壮大阶段。明确非能动技术发展的螺旋式上升和波浪式前进的特点。明晰了广义非能动概念使用可能带来的误区；非能动技术是完全可靠地误区；非能动技术完全优于能动技术的误区。提出非能动技术未来发展方向是：可靠性问题是首要问题；积极明确其机理及实现问题；要从交叉、种类和增强非能动技术功能上下功夫；要注意研究非能动条件下的安全文化。指出：非能动技术的发展是能源工业发展的必要条件，要积极创新非能动技术，并正确应用非能动技术所带来的工业技术发展与革新，联合应用能动技术与非能动技术是系统安全可靠高效运行的基本保障。

 0 引言

非能动技术是进入新世纪以来工业技术研究的热门话题。非能动技术伴随能动技术而生，一直在包括能源工业在内的工业技术上有所应用，近几年来伴随着核电工业的发展，更是把非能动安全技术作为先进核电的标志之一。包括火电在内的能源技术也对非能动技术重新予以重视，非能动技术将为工业未来发展特别是核电发展扮演特殊重要角色。20 世纪80 年代，由于核电安全的需要，人们提出非能动安全的概念，并且已经在二代反应堆中有一些应用。比如非能动余热排出系统、空冷塔中自然循环空冷器的应用等。舰船在大海中航行，缺乏直接电源，依靠船载核设施提供动力及电力支持，一、二回路也就更多地强调对非能动自然循环技术的应用。随着核电的不断发展，以AP1000 为代表的第三代非能动反应堆更是将非能动自然循环应用到重要的安全系统上，如：安全壳上非能动自然循环水箱冷却系统的应用就是其典型标志。中国研究的第四代高温气冷堆也设立了热阱，靠非能动自然循环的水冷壁将热量导入空冷塔中自然循环空冷器，从而带出热量，实现了自然循环的多重耦合。应该说，近几年来非能动的自然循环得到了广泛的应用和不断地发展。非能动是先进反应堆的标志。随着第三代反应堆AP1000 在包括中国在内的世界各地开始建设，非能动自然循环更成为工程重要安全手段。2011 年的日本福岛核严重事故更是凸显了这一点。从目前来看，人类历史上三次核电严重事故都与人因有关。现在人们更对非能动安全技术给予厚望。目前，非能动技术已普遍应用于一些先进反应堆核电厂的各个主要安全系统，成为保证核电安全性不可或缺的手段。非能动安全技术作为先进压水堆核电站的主要特点受到了核电发达国家的重视，美国西屋公司的AP600 和AP1000 、俄罗斯的WWER1000、中国的先进压水堆等都采用了非能动安全技术。理论上，非能动系统比能动系统具有更高的安全性。然而非能动系统也可能不能完成其预定功能，例如，在某种情况下，可能建立自然法则的条件不成立或自然法则成立但提供的力量不足，导致系统不能达到规定的功能效果(输出参量大于或小于规定的值)时，非能动系统处于失效状态。导致非能动系统物理过程失效的另一个原因是模型不确定性，如所采用的传热、流动等计算关系式与实际情况产生偏差等。一系列的系统部件失效(能动和非能动)；与热工水力、不同边界条件、初始条件相关的物理现象偏离了预定值等等，都可能会导致非能动过程失效。因此非能动系统同样存在失效的可能性，只不过概率可能相对会很小。关于非能动可靠性分析方面国内外学者都进行了较多的研究工作，但是工作多侧重于非能动自然循环方面的可靠性分析。

明晰非能动安全技术的技术类型与应用，可以使核工业研究者有针对性的对各种类型非能动技术的可靠性进行不同方法的计算研究工作。同时，也将使研究者在非能动技术应用方面有更明确的概念，更合理和可靠的利用非能动安全技术。因此，研究并积极应用非能动安全技术，对非能动技术进行创新，对包括核能在内的工业发展带来革命性的变化，对未来工业大发展会有重大价值。

1 非能动技术概念

1.1 一般概念

根据国际原子能机构的定义[1]，非能动系统是指完全由非能动部件组成的系统，或者系统中利用非常有限的能动部件来启动后续的非能动过程。非能动部件不依靠外部输入(力、功率或者信号、人工操作)，它们的效果取决于自然物理规律(例如重力、自然对流、热传导等)，固有特性(如材料属性等)，或者系统内的能量(如化学反应、衰变热等)。即非能动技术概念[2]是指建立在惯性原理(如泵的惰转)、重力法则(如位差)、热传递法则等基础上的非能动设备(无源设备)的特性，即其功能的实现毋须依赖外来的动力。非能动安全系统的应用，使系统处于失效安全状态，提高了系统安全性，使堆芯熔化概率降低1 至2 个数量级。应该说，核电中的非能动技术更多的是指非能动安全技术。同时，非能动系统通过减少能动设备，取消或减少对应急电源的要求，减少设备的在役检查及维护等方法，提高了系统的经济性。

1.2 广义概念

2009 年，韩旭等[3]拓展了一般非能动概念，提出了广义非能动概念。如果一个系统，其表象特征符合非能动特性，即：具有高可靠性、简捷性及自动性；其功能所需能量来自于内部能量或其能源子系统；其时间和空间特性满足应用要求，则此系统定义为广义非能动系统。其认为理想化的广义非能动系统在功能上与传统非能动系统具有等价性。

1.3 概念特征

非能动技术是相对于能动技术的一个概念。其运作不依靠动力源而自发动作。相对于一般非能动概念，广义非能动概念以工程应用为目标，重视功能实现与检验。实际上是从相对的角度来区分能动与非能动系统，具有更大的灵活性，也就更多地纳入系统的非能动特性。小的例子是：对于一个爆破阀门而言，由于其依靠外部气体膨胀冲击力，可以说其不属于能动设备；但对于整个系统而言，其功能的实现并不依靠于动力源，因此，可以说是广义的非能动系统。大的例子是：对于一个核电站系统而言，可以依靠于内部驱动而非外部动力源，也可以说是广义的非能动系统；但就其内部而言，当然依靠于电源等，就不属于非能动系统。

1.4 概念关联

相对于能动技术，广义非能动技术概念实际上架起了联系一般能动技术概念与非能动技术概念的联系桥梁。即两个概念不是孤立的，而是联系并可相互转化的，其实质是一个有机统一的技术。区分能动与非能动技术应该从实际过程出发，注意个性与共性，具体问题具体分析及应用。而从一般非能动技术概念中可以看到，只要按功能定义“外来力”概念，也就实现了广义非能动技术概念。由此证明一般非能动技术概念与广义非能动技术概念的本质一致性。