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【月度聚焦】“华龙一号”非能动系统设计的生力军
文章来源:中国核工业杂志 日期:2016年12月15日

  

——记中国核动力院非能动余热排出系统PRS设计团队

  2014年10月,为响应中核集团提出的“保增长、抓改革、促发展,青年突击队在行动”活动号召,中国核动力研究设计院设计所热工水力与安全分析室秉着艰苦奋斗的精神和勇于创新的作风,组织成立了“华龙一号PRS系统设计与试验”青年突击队,近30名青年科技工作者加入到了这支队伍中。

  “华龙一号”采用“能动+非能动”安全设计理念,增设了蒸汽发生器二次侧非能动余热排出系统(PRS),用于超设计基准事故后长期排出堆芯余热。相比以往的二代加核电设计,“华龙一号”有很多改进。PRS系统设计需要对其排热能力、运行方式以及热工参数进行细致论证,需要对系统试验方案以及程序模拟方法进行评价。面对这一系列问题,青年突击队坚持“安全先行,主动作为”的工作理念,经过紧张而充实的攻坚克难,青年突击队圆满完成了既定任务,在审查进度和审查力度都“超常规”的情况,顺利通过了安全审查。2015年4月29日,中核集团团委在集团总部举行了第二届“十分精彩”青年创新创效报告会,热工水力与安全分析室鲜麟代表核动力事业部参加本次比赛,经过技术评审和现场问答评比,最终“华龙一号PRS系统设计与试验”课题荣获第一名。

  PRS系统对“华龙一号”的设计研发和工程落地非常重要。PRS作为新型的非能动系统,具有非能动安全的一些特性,设计团队从安全设计的理念出发,完成了系统功能定位、系统容量论证、系统工艺方案论证等全周期的科研和工程设计工作,有力地支撑了项目安全审评。在完成工程任务的同时,锻炼了队伍,培养了人才,掌握了非能动安全系统论证技术,形成了一套独有的、国内领先的非能动安全系统设计方法。

  紧随科学技术前沿 引进消化再吸收

  1986年,核动力院开始调研美国改进型压水堆AP600任务,并在此基础上提出我国要跟踪和发展这类改进型压水堆的建议。为此,设计所成立专门课题小组开展工作,经过初步调研,于1987年提出了在我国应该跟踪和开发像AP600这样的压水堆的项目建议书,并明确以开发先进的堆芯、系统和设备的简化和非能动安全系统的利用为重点。

  1988年,核动力院开展了AC600概念设计,并在1989年与美国西屋公司开始接触,谈判合作,并确定了人才学习交流计划。“非能动”这一全新概念是由西屋公司率先在核能领域提出的,并且进行了大量的实验研究和数值分析,掌握了非能动余热排出系统的核心设计技术。核动力院在AC600设计中,也计划采用类似的二次侧非能动余热排出系统设计,热工水力与安全分析室也就此开展了大量的技术学习和吸收工作,逐步形成了非能动余热排出系统设计团队雏形。非能动系统先进概念的引进和消化吸收,极大增强了核动力院核电设计中安全系统抵抗事故工况的能力,也很大程度提高了安全分析专业室对于非能动余热排出这种复杂热工水力现象的计算分析能力。核动力院非能动余热排出系统设计团队也从最初的两三人逐渐发展壮大,培养了一批中青年专家和业务骨干。

  理论实验加计算 形成“华龙一号”PRS系统设计方法

  “华龙一号”承担着中核集团三代核电自主创新和中国核电“走出去”的重任。“华龙一号”采用“能动+非能动”安全设计理念,增设了PRS系统,用于超设计基准事故后长期排出堆芯余热。PRS非能动技术具有简化专设安全系统、减少人员干预而可能产生的误操作、降低运行和维修要求、提高反应堆的安全性和经济性等特点,是国际先进压水堆技术的重要发展趋势之一。在发生全厂断电等事故工况下,系统投入运行,导出堆芯余热及反应堆冷却剂系统各设备的储热,在72小时内将反应堆维持在安全的停堆状态,保证反应堆的安全从而降低熔堆概率。

  作为“华龙一号”三大非能动系统之一(PRS、CIS、PCS),PRS对于丰富了“华龙一号”的严重事故预防与缓解手段,提高核电厂安全性意义重大。针对“华龙一号”提出的极高的安全要求,PRS设计团队借鉴20多年来整个团队对于非能动安全技术的丰富经验,首先梳理了PRS设计需要解决的重要问题,再逐一明确需要确定的具体的各项热工水力学参数,然后整个团队讨论并进行合理的分工,有条不紊地完成调研国外非能动余排技术资料、依据成熟实验结果进行程序评价、完成上百种工况计算等各项任务。

  整个PRS设计团队创新高效,不畏困难,不计辛劳,充分体现了科技工作者敢拼敢闯的勇气和毅力,更涌现出了优秀的中坚力量。每一位平凡的青年科技工作者在PRS设计团队中担当着不平凡的角色,在“华龙一号”热工水力设计与安全分析中完成着不平凡的任务。

  为了验证PRS系统的性能,核动力院建立了三代核电非能动余热排出实验装置(ESPRIT),PRS设计团队对实验进行了持续的设计跟踪和反馈,并进行了大量的模拟计算以指导实验方法。在非能动余热排出实验结束之后,针对实验结果又展开了大量的复算工作,通过反复核算的过程,不仅验证了程序的适应性,同时增强和优化了程序的计算能力,充分利用了实验结果。

  在整个系统实验方案定稿之前,考虑了系统内各个部件参数的不确定偏差,进行了庞大的数值计算工作,确保得到最终实验方案的合理可行性,推动了整个工程项目的顺利进行。在非能动系统设计阶段结束之后,PRS设计团队考虑到专业的未来发展以及实验结果的来之不易,继续申请基金课题“系统程序换热模型关系式研究”进行进一步研究,力图进一步改进系统分析程序,为以后的非能动系统设计提供更加实用的计算工具。

  整个PRS设计团队秉着这样一种知行合一的求学之心,慎独慎微的处事之道,脚踏实地的刻苦之志,克服困难,将工程和科研紧密结合,终于取得了丰硕的成果,在“华龙一号”反应堆中得到了具体的实现。“华龙一号”二次侧非能动余热排出系统采用非能动设计理念, PRS设计团队首次开展完整的工程设计,通过全周期的工程加科研设计工作,研究掌握非能动系统设计的关键技术,形成了一套独有的、国内领先的非能动安全系统设计方法。

  安全分析指导反应堆总体设计 自主创新勇攀高峰

  传统的安全分析专业只是针对已有的系统设计进行评价,但是随着三代电厂概念的普及,安全分析更多的作用是反过来主导总体设计,这也是安全分析专业发展的必经之路。

  PRS设计团队通过“华龙一号”非能动余热排出系统的设计工作,摸索出了一套非能动余热排出系统的容量论证方法。“华龙一号”PRS容量论证中,PRS设计团队将这一方法进行了实践,为该系统的后续设计提供基础。这一套容量论证方法不局限于“华龙一号”PRS容量论证,也可应用于其他堆型的余热排出系统的容量论证中,为热工水力与安全分析的专业发展也作出了贡献。

  随着三代反应堆的普及和发展,安全分析的定位也应当逐渐从评价到主导设计发展,将热工水力与安全分析贯彻到系统设计之中。PRS设计团队将继续坚持这一理念,将PRS的定位由应对全厂断电的非安全级系统拓展为应对设计基准事故的安全级专设安全系统,继续引领非能动余排系统的设计,保持高效、创新的优良品质,践行专业发展,自主创新勇攀高峰。 (作者系中国核动力研究设计院魏宗岚)

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