机组技术论文：机组非能动技术的实用性

作者：周涛 李精精 汝小龙 盛程 陈娟 黄彦平 肖泽军 单位：华北电力大学核热工安全与标准化研究所 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

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。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。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。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。

非能动技术类型

目前，非能动技术已普遍应用于先进核电站的各个系统，成为保证核电安全性不可或缺的手段。在对非能动技术进行分类的过程中，需要针对不同的运行工况，对非能动技术进行了界定。例如，自然循环技术的应用，在正常的运行工况下，自然循环的实现，需要功率产生热量。如果将其看做外部输入，则严格按照非能动技术的定义来说，这是一个能动的过程；但如果看做自身内部特性，且是无泵产生的循环，则是核电界通常认为的非能动过程。当然如果按照广义非能动的概念，这肯定是一个非能动的过程。在非正常运行的工况下，自然循环的热量来自于内部衰变余热，这就是一个非能动的过程。重力作用类、惯性作用类、氢气复合(点火)器类均是在事故工况下应用的。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、逆止阀类等在事故工况还是正常工况下均可应用。表1所示[4-9]的即是在核电领域中应用的非能动技术。

非能动技术历史

诞生阶段非能动技术的概念始于核电工业，但是非能动技术的应用却远远早于核电技术的产生。例如在火力发电方面，堕转飞轮的应用可以保证全厂断电的情况下，主泵继续运转。再例如，火电厂及其他工业中逆止阀的应用等，都是非能动的技术类型。自然循环锅炉虽然有观点不被认为是非能动技术，但其自然循环的作用却与非能动技术有着较大关联。可以说非能动技术早在核电之前就已经应用于能源工业。但是非能动概念的提出却是在核电工业之后。辅助阶段在发展自然循环锅炉的同时，20世纪30年代开始应用直流锅炉和强制循环锅炉。强制循环锅炉在下降管中增加水泵，以加强蒸发受热面的水循环。直流锅炉没有锅筒，直接由泵将水送入省煤器。70年代又发明27MPa压力配1300MW的超临界直流锅炉。后来又发明了直流锅炉和强制循环锅炉复合而成的复合循环锅炉。伴随着锅炉技术的成熟，核电在此时登上历史舞台，而此时在核电中强制循环是当然的主导循环方式。随着核电的不断发展，二代核电中也采用了非能动自然循环技术。但在这个发展过程中，非能动的自然循环技术就被置于从属甚至不很重要的地位。在80年代到90年代，中国核动力院、西南物理研究院及西安交通大学[10-14]等就对核电站二次侧非能动堆芯余热应急排放系统进行多次研究。壮大阶段随着核电的技术的成熟，核电发生了3大严重事故，人们对非能动技术也越来越重视。自20世纪八十年代具有非能动安全特征的反应堆设计理念首次公开提出[15]开始，先后涌现出了多种不同的设计方案。美国从AP600到AP1000发展了非能动反应堆。瑞典提出固有安全特性堆PIUS。欧洲的EPR1000、日本的SBWR、俄罗斯的WWER1000等都采用了非能动安全技术。另外，目前的现役核电站也采用了非能动安全技术。中国核安全局在《核电厂质量保证安全规定》（1991年7月27日国家核安全局令第1号1991年修改）中提出“非能动”概念。中国的二代加改进堆型都应用了非能动技术，中广核的CPR1000也更多地采用了非能动安全技术。中国核电总公司也研制了非能动特性反应堆ACR600。目前，非能动技术得到空前重视，非能动安全技术被视为核电安全的大救星。历史特点从非能动自然循环技术在能源工业特别是核电工业中的发展历史可以看出，非能动的自然循环技术在开始时是由于受制于当时技术水平不得不采用的，后来随着人类对水泵技术完善应用，人们就转到功能更为强大的强制循环；后来，人们又应用非能动自然循环作为有益的补充；最后，发现非能动自然循环的可靠安全特性，又转向更多应用非能动自然循环，并首先重视应用于高技术的核电产业。由此，可以看出，非能动技术历史是一种循环式的发展，即是具有“螺旋式上升，波浪式前进”特点。

非能动技术误区

广义非能动系统使用造成误区从节广义非能动技术概念和节非能动技术概念特征可以看到，广义的非能动技术概念出发点很好，希望更多地服务于工程实践。虽然这一概念的优势，可以更多的实现非能动系统的目标。但由于其很明确的一点是，其功能的实现是依靠于其他支持子系统。这样宽松的条件就会造成能动与非能动系统的混淆。工程上也可能放松了对非能动的要求和目标的追求。其实按照节非能动技术概念和节非能动概念与能动概念的关联，只要明确了“外力”界定就可以进行判定。因此，节非能动概念明确清晰，既与能动概念有明显区别，同时，也可以有其联系。这样，在实践中可以强化对非能动追求目标，不断开发真正的非能动新技术；同时，也可根据时间、地点和范围来进行确定非能动技术，于是，就可以实现非能动概念与能动概念的协调统一。4.2非能动完全是可靠性保证误区日本福岛事故之后，失去动力源的反思促使人们痛定思痛，非能动似乎是关键的救命稻草。这里主要体现的是非能动系统能够在没有动力源的时候自动启动，带来更多的安全和可靠性。实际而言，虽然非能动系统不依靠于动力源，但在关键时刻是否能够自发启动，也是有一定发生概率的，不是就一定能够启动。非能动系统失效由部件失效和物理过程失效两部分组成，也有其自身的失效概率。其物理失效的一个原因是由于设备失效、运行状态偏离设计状态，引起功率、压力等运行参数偏离设计值，这些参数值在一定范围内发生变化(即存在一定的不确定性分布)，系统在某些参数值组合下将不能完成其功能。这就是非能动系统可靠性问题研究要关注的地方。因此，非能动技术的完全可靠性保证是一个误区。非能动一定优于能动系统误区非能动技术的应用是一个由少到多，而且是伴随能动技术运行的过程。随着能源发展，非能动技术得到越来越多的应用。特别在核电发展中，非能动安全技术成为先进核电的标志。但是从其运行参数量级而言，基本较小，发挥作用有限，也有可靠性问题。也正是因为非能动系统运行的物理过程不依靠能动部件驱动，而是依靠自然力，其驱动力与阻力都受到很多不确定因素的影响，因此物理过程失效成为导致系统失效的重要因素。非能动系统除类似能动系统有部件失效外，还有其物理过程失效，而物理过程失效在能动系统中通常是不研究的。因为在能动系统中，物理过程是由外部的能动部件驱动的，驱动力通常不受时间序列演变过程的影响，只要能动部件不失效，其物理过程一般不会失效。而且，所谓广义非能动系统更依赖于其他支持系统，一旦支持系统出问题，必定非能动系统无法启动。也就丧失其非能动特性。因此，非能动技术一定优于能动技术是一个误区。正确的应用应该是，能动技术与非能动技术联合交叉使用，这样，系统功能的实现是最可靠的，系统的运行也才是最优的。

非能动技术的未来

非能动技术研究课题非能动技术正处于发展的黄金时期，但是面临着很多问题需要研究，以便于更好更可靠地应用非能动技术。最首要的问题是非能动技术的共性问题，即：可靠性问题。这是非能动技术发展的根本保证。正是因为非能动系统运行的物理过程不依靠能动部件驱动，而是依靠自然力，其驱动力与阻力都受到很多不确定因素的影响，因此物理过程失效成为导致系统失效的重要因素。非能动技术关键共性问题就是包括部件失效和物理过程失效两部分的可靠性研究。同时，非能动技术不同类型也存在着个性设计及技术问题。如：非能动自然循环发生发展机理问题；温差传热能力强化与优化问题；启动、过渡、延迟及模式问题；水锤与倒流问题；逆止阀的磨损及泄漏问题；氢气复合(点火)最佳实现机制问题；负反馈的核热耦合问题；材料的灵敏度与寿命问题；虹吸与密度锁的机理与实现问题等等。只有成熟的非能动技术，才能更好地保障核工业技术的可靠应用与发展。国外非能动新技术的未来在国外非能动技术的发展很快。美国的AP1000非能动安全系统主要包括非能动安全注射系统、非能动余热排出系统、非能动安全壳冷却系统以及控制室非能动可居留条件保障系统等。奥地利的P.E.Juhn提出先进安注非能动设计[16]，非能动安全系统包括自动泄压系统(automaticdataprocessingsystem，ADS)、先进的堆芯辅助冷却(auxiliarycorecooling，ACC)、堆芯补水箱和通过重力从冷凝水箱补水的水平蒸汽发生器系统。先进的ACC即日本三菱重工下一代压水堆的先进蓄压安注水箱。可实现ACC初始安注流速高，后阶段安注流速低，且ACC注水持续时间较长的技术指标。日本提出了下一代PWR核电站新概念。在中、小破口LOCA事故下[17]，为保证向反应堆堆芯和蒸汽发生器二次侧注水，在反应堆一、二回路分别设置了一回路自动泄压系统(primaryautomaticdataprocessingsystem，PADS)和二回路自动泄压系统(secondaryautomaticdataprocessingsystem，SADS)。ACC中的含硼水分顶部热区和底部冷区[17]，通过电加热元件，使ACC热区温度维持在安注压力下的饱和温度。在事故工况下，热区泄压而发生沸腾，使压力增加，将冷区含硼水注入反应堆堆芯。意大利AchilliA等提出SIP-1系统[18]由上部水箱、热段和冷段组成。当压力容器正常运行时，SIP-1系统不能形成自然循环，上部水箱不能注水。当压力容器水位低于热管道的位置，蒸汽将进入热管道加热流体，由于冷段和热段流体间的密度差，形成自然循环，SIP-1系统的上部水箱向压力容器注水。瑞典提出的固有安全性反应堆PIUS核电站不用控制棒进行停堆和功率调节，反应堆堆芯被放置在充满大量含硼酸的水池底部，通过改变冷却剂硼酸浓度和调节冷却剂温度来控制反应性。PIUS核电站的固有安全性是基于两个一直运行的密度锁。中国非能动新技术的未来中国也在积极开展先进非能动技术的研究和应用。中核总目前正向ACP600和ACP1000迈进。2007年国家核电也积极引进美国AP1000，并在此基础上积极发展CAP1400和CAP1700，其中先进非能动技术应用是一项重要标志。中广核的ACPR1000也具备了更多的非能动技术。中国空泡物理与自然循环国家重点实验室更是开展了全套非能动自然循环实验和开发程序[19-20]。吴英华等[21]提出非能动的固有安全的管池式反应堆。罗树新等[22]利用一、二回路旁建立大蓄水池建立反应堆非能动专设安全设施。阎昌琪的控温式密度锁[23]采用多层分离结构，有效地解决了管道变径、平衡管道压力、减小水平温差以及消除内波振荡和热量输出的问题，保证了密度锁内密度分层的稳定性，实现了在反应堆稳定运行中，事故冷却水回路的有效隔离。阎昌琪的均压式密度锁[24]采用三级稳定分层结构，有效地解决了上方速度分布不均所造成的通道间压力不均问题，消除了各通道间的界面振荡和界面波的传递，增强了密度锁内密度分层的稳定性，实现了在反应堆稳定运行中，主冷却剂回路与非能动余热排出回路的有效隔离。周涛等人[25]研究超的临界水堆水棒导热性能和R.Jain等人[26]研究的超临界水的自然循环和流动稳定性，为超临界水自然循环的研究提供了一定的参考。俞冀阳，贾宝山[27]设计了一种三回路自然循环非能动余热排出系统，将反应堆等与安全有关的部件和系统发出的余热输送到最终热阱。周涛等[28]设计了严重事故非能动排热系统，利用超导热管、水管及真空玻璃管，通过“口”字结构组成3个完整的非能动自然循环回路，在严重事故时导出安全壳热量。周涛[29]提出核电站严重事故缓解装置，其利用蒸汽压片、薄膜和金属网的综合特性，对反应堆释放的能量和放射性进行吸收和减弱，达到缓解反应堆严重事故的目的。朱敏和王少波[30]提出非能动氢气复合装置开发设计。徐良旺等[31]基于热胀冷缩原理的TACR压力管与排管间非能动热开关设计。黄志勇[32]应用于高温气冷堆吸收球停堆系统的非能动安全驱动装置。陈耀东[33]提出一种核电站非能动专设安全系统，通过有步骤的投入一系列的非能动与能动结合的安全设施，抑制或缓解反应堆严重事故后果。非能动技术发展方向人们愈是充分掌握自然规律，愈是有广阔的自由度。正如所说：也才能由必然王国飞向自由王国。因此，人们需要研究和掌握更多的非能动技术，并需要更好地应非能动技术。非能动技术需要完善，更需要得到应用。就非能动技术的自身发展而言，每个技术都要进一步升级换代，但基本的共性问题是，需要从功率增大、效率提高、动力增强、技术交叉、种类增多及可靠性提高等多方面发展，要有百花齐放的景象。非能动技术也需要规范化和标准化，有相应合理的考评指标。非能动技术发展要安全系统试验研究与程序开发相结合，明晰其发生发展机理，分析程序要不断升级、完善及三维仿真，解决其关键技术模拟及其实际实现。另外，非能动技术的应用实际上是减少人为因素的影响，特别初衷是减少人因不利影响，因此，也要特别注意研究非能动技术下的安全文化。文化与技术发展相互支持与促进是很有价值的发展方向。非能动技术未来角色从第3.4节非能动技术发展历史特点看出，非能动技术发展是曲折的，其地位在不同发展阶段是不同的。但可以肯定的是，未来非能动技术一定是担任重要角色。能动技术与非能动技术应该是协调一致的，对二者的任何一种方式轻视，都会出现严重问题。因此，在系统中应该根据具体系统的不同，根据具体时间的不同，合理担任角色，互相补充，积极配合，特别是在涉及安全特性要求高的系统，二者的同时联合应用是必要的，并且准确定位，应该作为硬性标准规定。非能动技术将为核电发展特别是核电安全担当独特重要角色。

结论

非能动技术的发展是能源工业发展的必须，正确应用非能动技术会带来核电技术发展与革新，特别是要注重其核电安全中的重大作用。因此，必须予以认真研究恰当应用。1）明确非能动技术概念内涵，避免非能动技术概念使用误区是促使非能动新技术发展的理论基础。2）提高非能动系统的运行可靠性，交叉联合应用和定位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。3）保障各类非能动技术效应，发挥综合作用和新技术交叉，发展相应安全文化，是积极探索和实现新非能动技术的根本前提。