核电厂反应堆功率的提升技术及其发展

向文元，吕永红，路广遥，张臣刚

（中科华核电技术研究院，深圳 518124）

随着核电技术的不断进步及核电设备加工制造水平的不断提高，新建核电厂的建设规模发电效率和安全性不断提高，核电的竞争力也不断加强。但是核电厂的投资大、建设周期长，特别是新建核电厂在选址时对环境条件有很严格要求，加上许多地区的公众出于对核电安全的疑虑不支持在本地新辟核电厂，因此建设一个新的核电厂越来越困难，许多发达国家政府也因此不得不放弃新建核电厂的规划。另一方面，早期建设的核电厂退役技术复杂、成本高、周期长，还涉及到非常严峻的环保问题，淘汰这些落后的核电厂很困难。不过受当时的技术制约，早期核电厂在最初方案设计和建设中一般多留有很大的发电余地。随着核电技术的进步，核电安全技术有了比较大的提高，充分利用新技术对早期核电厂进行改造，可以挖掘早期核电厂的潜力，提升这些核电厂的发电能力。老厂通过延寿服役和发电能力的提升，可以用较少的改造费用得到更大的发电量，业主在改造中获得巨大的经济效益。因此通过技术改造提高已建核电厂特别是行将退役的核电厂的发电能力和延长这些核电厂的寿命，不但是必要的而且是可行的。一些发达国家核电产业发展比较早，老核电厂较多，因此反应堆功率的提升和延寿服役得到了国内外研究者的很大关注。本文将介绍目前核电机组功率提升的几种主要的方法，以及这些方法的应用情况。

1 功率提升的方法

根据核电机组反应堆功率提升幅度不同，功率提升采用的方法主要有MUR、SPU和EPU三种［1－2］（SPU和EPU也可以结合使用）。其中MUR技术比较简单、功率提升幅度小，比较适合于短期发展策略；SPU和EPU方法比较复杂，功率提升幅度较大，更适合中长期发展策略。

1.1 MUR功率提升

MUR功率提升（Measurement Uncertainty Recapture）采用提高给水流量测量精度的方法提高堆芯热功率的控制精度，达到提高堆芯额定热功率的目的。在二回路热平衡试验中，给水流量测定方法的不确定度会直接影响到热平衡试验中堆芯热功率计算的不确定度。例如采用孔板给水流量计，核电厂堆芯热功率不确定度是±2%，为了确保反应堆的运行安全，堆芯热功率的上限为102%PN。但是如果采用更加精确的给水流量测量装置，就可以使堆芯热功率不确定度达到0.4%左右，那么堆芯热功率在101.6%PN运行，即在堆芯热功率上限仍然是102%PN前提下，把堆芯额定热功率提高1.6%左右。

压水堆核电厂采用MUR提升功率当然必须先进行安全分析，但不需要对电站主要设备进行改造，也不需要改变燃料设计，只要对电站运行技术规范书进行适当修改，因此对反应堆热工水力影响非常小。改造后核电堆运行时偏离泡核沸腾比（DNBR）将略微有下降，但仍在设计要求的范围之内。另外，改造后一回路的平均温度和压力会有轻微的变化，给水流量将有所增加，因此需要对给水流量调节阀的流量调节能力进行分析，确定是否需要更换给水调节阀或更换部件。

1.2 SPU功率提升

SPU功率提升（Stretch Power Uprate）的出发点是通过挖掘机组原设计多余的保守裕度提升功率。改造采用确定论的安全分析方法，对核电厂在特定运行工况下的响应进行预测，然后根据预测结果改造部分非重要设备，修改相关系统仪表设备原设计的整定值。核电厂采用SPU功率提升，还可以利用概率安全分析（PSA）对核电厂的安全和功率的提升进行补充分析。

采用SPU可以提高功率2%～7%，由于功率提升的幅度较大，电站的常规系统例如汽轮机、发电机和变压器可能需要改造，并且需要重新对系统的安全进行全面分析，运行技术规范需要修改的内容也较多。

压水堆核电厂采用SPU提升功率，涉及到核电厂反应堆和电站的系统改造，包括反应堆材料的选择、机械、土建、电气设备、仪表控制、安全壳的设计，还有辐射源和辐射后果的分析、功率升高过程和功率升高的风险分析等。不过功率一回路的参数虽然会有一定的变化，但一般不涉及到核电厂重大设备的改造，燃料不需要重新设计。

1.3 EPU功率提升

EPU功率提升（Extended Power Uprate）通过更换重大设备或采用关键技术和新技术对部分重大设备（如蒸汽发生器和上充泵水力部件等）进行改造，挖掘原设计不必要的保守裕度，达到最大限度提高机组装机容量的目的，机组功率可以提高7%～20%。

由于采用该方法一般需要更改燃料设计、并需要更换或改造蒸汽发生器、化容控制系统上充泵水力部件、汽轮机、凝汽器、汽水分离再热器、主变压器、主发电机及给水调节阀等，涉及的改造范围较为广泛，因此需要重新全面进行安全分析，分析评价涉及的内容与SPU基本相同，但由于功率提升的幅度更大，评价的内容更多更深入，而且涉及的运行技术规范修改的内容也更多。

1.4 功率提升与延寿结合

核电厂的设计寿命通常为40年，目前有许多核电厂获准将寿期延长至60年。为了把核电堆延长到60年寿命，就必须对核电站进行全面的安全和经济评估并进行相关的技术改造。在改造延寿的同时，把核电厂重大设备改造与利用EPU方法提升功率结合起来，通过对主设备进行翻新改造，可以提高核电厂的安全性和经济性，从而提升核电竞争力［3］。Framatome的副总裁Tom Weir提出，核电厂提高功率的成本介于750～900美元／k W，如果功率提升的投资成本可以增加20年以上的使用寿命，在经济上就会对业主有很大吸引力［1］。

2 核电厂功率提升技术的应用

国外已经对提升核电厂反应堆功率开展过大量的研究，并积累了相当的应用经验，许多国家核电厂都已进行了不同幅度的功率提升。从1977年以来，美国已经批准113台在役核电机组进行功率提升，总装机容量增加4900 MW，目前还有11台机组的功率提升申请正在审批中，预计装机容量还可以增加1030 MW。

图1表示1993—2006年期间，美国核电厂沸水堆和压水堆功率提升的发展情况［4］，可以看到两种反应堆的功率提升量逐年增加。核电厂进行功率提升，反应堆的运行和维护费用虽然有所增加，但还是可以带来可观的经济效益，设备改造的投资成本回收周期短。美国经验表明，目前核电厂功率提升所需要的改造成本应当低于1000美元／k W，随着功率提升技术的进步和推广有可能降低到500美元／k W［5］，而且今后还会进一步降低。

图1 美国核电功率提升历史

随着功率提升技术的日益成熟，越来越多的国家和地区开始进行核电厂的功率提升。例如法国在2003年有4台N4机组进行了功率提升，功率从1455 MW提高到1500 MW；到2008年10月，法国电力公司成功把5个900 MW级核电机组的功率提升了3%，并计划从2015年开始，把20个1300 MW的核电机组的功率提升7%。在德国，已经有9个核电机组进行了功率提升。在韩国，在2005年采用SPU方法完成了Kori核电厂3号机和4号机的功率提升，装机容量增加693 MW。比利时从1994年到2002年，利用功率提升技术把核电装机容量增加了219 MW。西班牙从1999年开始采用的方法是MUR和SPU对5个压水堆核电机组的功率进行提升。2009年9月，加拿大有2个核电机组完成了功率提升，提升幅度都在25 MW以上。

我国台湾台电公司自2003年即开始推动核电厂功率提升研究，并于2005年与台湾核能研究所签订“核二厂小幅度功率提升技术服务”计划，委托核研所针对台湾核二厂的两台机组进行为期三年的MUR小幅度功率提升相关技术服务，将核电厂堆芯功率由原先的2894 MW提升至2943 MW，提升幅度为1.7%。台湾核二厂于1974年开始兴建，一、二号机分别于1981年12月及1983年3月商业运转，目前可考虑将核电厂延寿与功率提升结合实施。

3 我国核电机组的功率提升

目前，我国在运和在建的核电机组共有27个左右，预计到2020年增加到约37个。随着我国核电工业的发展投入的核电厂不断增加，提高已建机组的发电能力和延长机组的运行寿命，将逐渐成为我国核电产业的重要工作。20世纪90年代，我国大陆的核电厂引进国外原型堆进入商业运行，在项目设计方案的反应堆热功率已经比原设计略有增加。例如大亚湾的原型堆M310堆芯的原设计功率为2775 MW，在建设方案的设计中已把功率提高到了2905 MW，提高幅度达到了4.7%。大亚湾、岭澳核电厂和国内其他一些核电厂目前已经积累了许多核电运行经验，核电厂的软硬件技术及配套也得到长足进步，核电厂运行、维修制度的建设也日臻完善，核电安全提高，设备故障率减少，为进一步采用功率提升方法提高经济效益打下了坚实基础。

表1是大亚湾、岭澳核电厂功率水平和热工裕量与国外机组的比较，可以看出大亚湾、岭澳核电厂的功率水平较同类CPY机组已有提高，但与Ringhals3和Tihange2等一些机组相比仍有不小差距。目前大亚湾和岭澳核电厂经过18个月换料和1／4换料项目，采用统计论进行事故分析，核电厂一些安全指标（如偏离泡核沸腾比DNBR）有所提高，核电功率也有可能进一步提高。

表1 大亚湾、岭澳核电厂热工裕量与国际同类机组的比较

我国的核电厂大多在20世纪90年代之后建成投产，目前虽然尚未达到退役阶段，但核电厂定期都要进行安全审查，并要对核电厂系统或者老化设备进行大修、改造，完全可以在进行优化改造或老化改造的同时，结合功率提升对核电厂非重要设备进行更新、延寿。其中那些尚未达到服役期限或未出现缺陷的关键主设备，可采用MUR或SPU进行中小幅度的功率提升；如表1所列大亚湾、岭澳核电厂仍有余量可以挖掘，在保证安全的情况下，机组出力仍可以增加。今后一些核电厂进入寿期末时，还可以考虑采用EPU对核电厂进行功率提升，并同时进行核电厂关键主设备的延寿工作。

我国的核电厂经过多年运行研究积累了许多宝贵经验，这些经验将成为开展功率提升研究和实践的基础。建议我国核电厂结合国外成果，充分开展功率提升技术研究，提升核电竞争力，满足国内电力需求。

4 结语

发展核电是我国能源战略的重要组成部分，开展我国核电厂功率提升的相关研究，掌握功率提升方法，增加核电机组出力，并且可以为核电机组的设计优化和核电技术自主创新奠定基础，从而充分发展核电优势，提高核电竞争力，为群堆优化打下基础，实现核电可持续发展。国外一些核电厂发电能力提升的成功经验，为我国核电厂改造提供了很好的借鉴。例如，美国核动力研究院（INPO）在总结了长寿期和高出力堆芯运行多年来的经验教训后，提出了许多忠告和警告，并推荐了许多改进建议。我国核电厂在进行功率提升过程中，要充分借鉴国际成功经验并吸取失败教训，自主掌握核电厂功率提升技术，使我国从“核能国家”变成“核电技术大国”。

［1］ 郭志锋.美国核电厂许用证展期与功率提升现状［J］.国外核新闻，2005，（1）：19-20.

［2］ 郭志锋，张永丽.美国核电厂的功率提升［J］.国外核新闻，2005，（7）12-17.

［3］ 戴忠华，刘 鹏，卢文跃，陈世均.大亚湾核电站的老化和寿命管理［J］.核动力工程，2005，26（6）：87-89.

［4］ Glen Watford.Extended Power Uprates-Plant Modifications Assisting the Global Energy Demand［C］.World Nuclear Association Annual Symposium，2005.

［5］ 张 炎.核电厂功率提升—提高核电活力的同时加强推广［J］.国外核新闻，2002（6）：17-19.