核动力装置非能动技术特点

李兆俊，王 鑫，王 元

（本文文字摘自《核动力工程》2015年1期，作者：李兆俊，王 鑫，王 元，作者系海军装备研究院，北京，100161） 

摘要：在分析核电厂非能动技术应用情况基础上，根据船用条件对核动力装置非能动技术应用的特殊性要求，从理论研究、实验技术、设计技术、设备技术和仿真技术等5 个方面进行整理，建立一套适合于船用核动力装置的非能动技术体系，并在船用核动力装置中得到成功的应用。

0 概述

第三代核电厂通过采用非能动安全系统等先进技术，降低事故风险，实现更高的安全目标。核电厂非能动设计理念是，在正常运行或事故情况下采用重力、自然循环等自然力和蓄能驱动流体流动，在无外部能源或外来干预的条件下完成系统既定功能，保持核电厂安全。

船用核动力受体积和重量的约束，在安全系统的设计、辐射防护措施的制定等方面受到一定限制，事故发生时对船员潜在危害更大，因此船用反应堆及其系统对安全性能要求更高。借鉴非能动先进设计理念，将非能动技术应用于船用核动力装置中，对于提高船用核动力安全性能是十分有意义的。目前，非能动技术在船舶核动力中应用还比较分散，缺乏明确的船用非能动技术定义及其技术体系。本文将在分析现有核电厂和船用非能动技术应用情况的基础上，研究非能动技术在船用条件下应用的特点和船用条件对非能动技术的要求，提出船用非能动技术的定义，并梳理相应技术体系。

1 非能动技术在核动力中的应用

三代核电AP1000 专设安全系统中，首次全面而系统地应用非能动技术。与传统核电厂相比，非能动安全系统在提高电厂安全性方面有了重大的提高，无需操纵人员行动即可建立并长期维持堆芯冷却和安全壳的完整。

目前，非能动安全系统按其功能不同主要分为：非能动堆芯余热排出安全系统和非能动安全壳冷却、降压安全系统，依靠重力和压缩空气等蓄能、自然循环、蒸发与冷凝等方式实现多种安全功能。

虽然非能动安全系统已在世界范围内的先进反应堆中得到广泛地应用，但大多数都是基于陆地的民用核电厂，在船舶核动力中的应用尚未得到充分研究。世界上部分海洋强国已在现代船用核动力中引入非能动设计思想，并应用于反应堆余热排出系统、堆芯冷却等安全系统中，使船用核动力在多种事故工况下，可不依赖外部能源、无需人为操作，自动投入运行，保证反应堆安全。

2 船用核动力非能动技术的特殊性要求

目前，非能动技术在核电领域应用形式较为多样，船用核动力与陆上核电厂相比，在运行环境、使用条件等方面存在较大差异，这对非能动技术在船上有效发挥其功能产生一定的影响。根据船用核动力特点和船用条件，对非能动技术的特殊性要求主要有以下几方面。

2.1 船用环境条件要求

船用核动力长期处于海洋条件下，受海洋环境影响较大，需应变不同工况条件，适应环境要求，主要包括以下几个方面：

2.1.1 船用机械环境要求

海洋条件环境下的船舶受倾斜、摇摆、垂荡的影响，发生船体横、纵摇摆，长期横、纵倾斜和摇摆对自然循环影响较为明显，削弱了自然循环内在驱动力，自然循环流量产生不稳定性，但是摇摆有利于自然循环换热系数的提高[4-5]。针对船用机械环境的特殊性，要求非能动设计中充分考虑摇摆等条件对自然循环、对流换热等过程中流动和换热的影响。

2.1.2 船舶空间要求

船用环境条件下，舱室空间和高度都受到限制，非能动系统的尺寸和体积都受到一定的约束。舱室高度限制对非能动系统影响较大，可能引起自然循环无法建立或者安注系统动力不足；由于空间限制，对各类备用水箱、容器的布置也将产生影响，因此要求非能动系统在完成功能的同时，尽量减小体积、减少占用空间。

2.1.3 舱室温湿度要求

舱室环境中温度和湿度较高，对设备和系统的适应性要求较为严格，在非能动安全系统中，对于可靠性要求较高的关键设备如电磁阀等，在选用时应作必要的验证，保证设备使用寿命和非能动安全功能的执行，保障船舶生命力。

2.1.4 最终热阱要求 对于船用非能动安全系统，以海水作为最终热阱时，具有获取海水更为便利的特点，但同时应注意优化海水取水方式；若以大气环境作为最终热阱，须注意冷却器的优化。

2.2 较好的可靠性和可维修度

除考虑正常船用环境条件外，还应在事故时保证或者恢复其功能，系统、设备和机械拥有较好的可靠性和维修度。对于非能动系统中的关键设备和重要部件，要有一定的冗余设计，保持功能的完整。同时，要对非能动系统和设备的抗冲击能力做出分析，研究其在冲击条件下的系统运行特性。

2.3 综合性要求

船用核动力非能动系统和设备要根据需求综合考虑设计，一方面船舶舱室空间有限，要满足提高核动力功率体积比和功率重量比的要求，对于不同系统的设备、管路实施共用，如换热器、给水泵等设备以及相应的管路；另一方面，也需注意由于系统共用可能引起的系统功能交叉影响、系统之间切换等问题。