核电厂反应堆小幅功率提升技术的应用

2020-01-06潘昕怿赵传奇王业辉

核安全 2019年6期

张盼，潘昕怿，赵传奇，王业辉

（生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082）

随着核电技术的不断进步，新建核电厂的建设规模、发电效率和安全性不断提高。由于核电厂初始投资大、建设周期长、选址要求严格，同时，近些年来公众邻避效应日益突出，因此，新建核电厂越来越困难，许多发达国家政府也因此逐步放弃新建核电厂的规划，将重点转移到功率提升技术的应用方面[1]。小幅功率提升技术因改造设备少、改造周期短以及改造成本低的特点，得到了广泛的应用[2]。2000年，美国NRC 对法规文件10CFR50 附录K 进行修改，允许通过提高给水流量的测量精度来减小核电厂的运行裕度[3]。截至目前，NRC 已经审核批准了65 台机组的小幅功率提升，总计提升3037 MW的热功率。

本文通过研究反应堆小幅提升功率技术，借鉴国外的运行经验，结合我国核电行业的发展现状，开展核电厂小幅功率提升的技术研究，并提出相关建议。

1 小幅功率提升技术的概述

1.1 原理

目前，反应堆热功率的计算主要采用热平衡方法，计算公式如式（1）：

式中，Qcore——堆芯热功率；

Hs——蒸汽发生器出口的蒸汽比焓；

Hfw——蒸汽发生器入口的给水比焓；

Hbd——蒸汽发生器出口处排污水比焓；

Wfw——给水流量；

Wbd——排污流量；

Qb——其他向反应堆冷却剂传递的热量和向环境排出的热损失。

式（1）中，蒸汽比焓和给水比焓主要通过测量蒸汽发生器进、出口位置的温度和压力获得，测量结果比较准确。因此，热功率测量的不确定度主要来源于给水流量测量的误差。根据法国电力集团（EDF）的计算分析，由给水流量测量带来的不确定度约占功率测量不确定度的83%，因此，提高给水测量精度能有效提高核反应堆热功率的测量精度[4]。

核电厂主要采用文丘里流量计、喷嘴或孔板来测量给水流量，这些流量计工作原理简单、可靠、测量精度较高。但是，运行经验表明上述装置的测量元件容易结垢，导致功率测量值偏高，致使核电厂在非满功率状态下运行。核电厂热功率测量的不确定度约2%，为了确保反应堆的安全运行，堆芯热功率的上限为102%的额定功率。但采用精度更高的仪表测量给水流量，例如，超声波流量计可以将热功率的测量不确定度最低降至约0.3%，这样就可以将功率最高提升约1.7%[5-10]。

1.2 应用

功率提升技术在国外已经实现了工程应用。功率提升主要有3种方式，如表1所示。以美国为例，美国于20世纪70年代就实现了中幅功率提升技术的应用，到2000 年后，美国开展了小幅功率提升和大幅功率提升的应用。截至目前，美国累计完成了164座反应堆的功率提升技术的应用，主要情况如图1所示。

表1 功率提升的方法Table 1 The methods of power uprate

3种功率提升技术中，小幅功率提升技术的改造成本最低，美国的实践经验表明，改造成本约140 万～500 万美元。另外，小幅功率提升技术可以结合中幅与大幅功率提升技术同时应用，不会相互影响。

2 实现小幅功率提升的技术要求

图1 美国功率提升技术应用现状Fig.1 Application status of power uprate technology in USA

要实现小幅功率提升技术在核电厂中的应用，申请者除了使用经许可的高精度流量计来测量给水，还需要开展详细的技术分析工作，主要包括测量不确定度的分析、事故分析、系统设备的结构完整性分析、电力设备分析、系统分析和技术规格书的修改等方面。具体的技术要求见表2～表7。

表2 测量不确定度分析的技术要求Table 2 The technical requirements of measurement uncertainty analysis

功率测量不确定度的计算是小幅功率提升的重要环节，计算结果直接影响核电厂功率的提升幅度，因此，需要详细计算。同时，需要确认超声波流量计的安全等级，并制订流量计校准、维修规程及仪表故障的应对措施。

一是要求申请单位根据最终安全分析报告中所开展事故分析内容，梳理出功率提升后，安全分析报告中的哪些事故分析结果依旧是可用的，哪些事故分析是需要重新进开展的。

二是要评估功率提升对核电厂关键设备的影响。表4列出了需评估的设备清单、关键现象等内容。

表3 事故分析的技术要求Table 3 The technical requirements of accident analysis

表4 结构完整性分析的技术要求Table 4 The technical requirements of structural integrity analysis

本部分主要要求分析功率提升对电气设备的影响。如果设备情况的分析被已有的文件所覆盖，则需提供支撑依据。如果不能被覆盖，则需进行详细的分析，包括确认和评估功率提升给电气设备带来的改变。评估的对象是表5中给出的4项内容。

表5 电气设备分析的技术要求Table 5 The technical requirements of power equipment analysis

表6 系统分析的要求Table 6 The requirements of system analysis

表7 技术规范的修改要求Table 7 The requirements of technical specification modification

3 安全审评重点关注的问题

核电厂营运单位按要求开展详细的技术评估工作之后，向监管机构提交申请报告，监管机构组织开展安全审评工作。结合国外小幅功率提升技术运行实践经验，总结安全相关的重点问题。

4 小幅功率提升技术在国内的应用

我国在役核电机组共45 台，在建核电机组共11 台，预计总装机容量能达到约54.8 GW。如果实现小幅功率技术的应用，估计能将装机容量提升0.93 GW，相当于新建一座百万千瓦级的核电厂。而且，随着我国核电的快速发展，我国在核电设计和安全审评领域已经积累了丰富的经验。在保证现有安全水平的情况下，实现小幅功率提升技术在核电厂的应用是可行的。

表8 审评重点关注的问题Table 8 The key issues of review

同时，由于我国在小幅功率提升技术研究方面处于起步阶段，还面临着许多难题，还需要进一步开展技术研究工作。

4.1 指导性文件的制定

我国监管机构应组织制订核电厂功率小幅提升的指导性文件，完成该技术领域的顶层设计，为相关技术的研发和审评能力的提升提供依据。但是，我国的核电堆型众多，技术特点差异性较大，主要有二代加和三代技术差异、能动、非能动及能动结合非能动技术差异等，给指导性文件的制订带来了一定的困难。因此，需要充分调研国内主流堆型的实际运行特性，综合考虑各类电厂的差异性，制订涵盖各类堆型的通用性指导文件。同时，结合我国法规、导则体系，制订符合我国国情的指导性文件。

4.2 高精度流量计的研发、校准和安装

目前，国际上主要采用高精度的超声波流量计来取代传统的差压流量计，通过降低核电厂二回路热功率测量的不确定性，实现小幅功率提升。但是，现有国产超声波流量计的测量精度不满足要求，急需开展高精度的超声波流量计的研发工作。我国引进的AP1000 核电厂自带两套给水流量测量系统，其中一套为高精度的超声波流量计系统，具备开展小幅功率提升应用的硬件条件，可作为试点开展功率提升的应用实践。

关于超声波流量计的校准和标定，影响超声波流量计测量精度的因素主要有管道尺寸误差、流体温度和压力的测量误差、传感器误差和管道内流型因子误差等问题。因此，超声波流量计应在实验室条件下开展不同工况条件下的测量，给出实验室条件下流量测量的不确定度。由于高精度流量计本身测量精度高，对实验室标定设备提出了更高的要求，这也是目前国内需要解决的难题[11]。

超声波流量计经过实验室校准后，在实际安装中尽量保持与实验室一致，存在差异的应给出差异对不确定度的影响。电厂超声波流量计应制定定期的维修计划和在线校准。同时，需制订超声波流量计故障后电厂运行模式后撤计划，保证电厂的安全运行。

本文认为应依据ANSI/ASME PTC19.1-1985和测量不确定度评定与表示标准，制订一套合理的超声波流量计测量不确定分析的方法论，给出各误差来源对测量不确定度的影响，最终计算出总的功率测量不确定度，为核电厂确定实际提升功率幅度提供依据。