AP1000的先进性、建造风险与未来的改进方向分析(1)
日期：2010-12-5 22:16:57 点击：
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作者： 未知
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摘要：本文从电站的成熟性、安全性和经济性三个方面阐述了AP1000反应堆的先进性。并从AP1000没有参考电站，一些关键设备结构发生了重大改进，并且这种改进的验证工作还未完成；以及设备国产化面临的问题几个方面来说明AP1000的建造风险。最后，提出了完善AP1000设计，提升电站的规模效益所需要的未来改进。通过对AP1000的先进性、建造风险与未来的改进方向分析，有利于我们更好了解目前世界上最先进的压水反应堆技术以及发展水平，促进我国核电技术的发展。
1、简介
AP1000属于第三代先进压水反应堆，是美国西屋公司开发的一种双环路100千瓦级的先进压水堆核电机组。与二代反应堆技术相比，AP1000通过采用非能动专设安全系统，提高系统的可靠性；通过简化系统，并采用模块化建造技术缩短建造周期。通过这些改进，来达到电厂安全性和经济性的有机协调。
AP1000是一个主回路为两环路的压水堆电站。主回路由一台反应堆压力容器，一台稳压器，两台大容量的蒸汽发生器，4台屏蔽式主泵和4条冷段、2条热段管道组成。由于主泵入口直接和蒸汽发生器下封头焊接在一起，消除了2代反应堆中蒸汽发生器与主泵入口之间的U型管道，减少了回路的阻力；同时，主管道简化设计，减少焊缝和支撑。见图1AP1000反应堆一回路立体布置。
AP1000设计基于AP600，并在此基础上进行了适当的改进。机组采用单堆布置方式。为了达到更高的电站功率，一方面，加大了核蒸汽供应系统主要部件的尺寸，包括增加反应堆压力壳的高度、堆芯长度，另一方面，增大蒸汽发生器、稳压器、汽轮机的尺寸和容量以及燃料组件的数目。为了实现非能动安全系统设计，采用了带变频器的大型屏蔽泵。此外，AP1000还采用了成熟的数字化仪控系统；反应堆厂房采用内层为钢，外层为混凝土结构的双层安全壳，施工安装过程采用了有利于缩短建造工期的模块化的建造模式。
AP1000设计寿命为60年，单机组的热功率为3415MWe，电功率为1115MWe，热效率约为33%，机组可利用率为93%，反应堆一回路压力为15.51MPa，堆芯入口温度为280.7℃，堆芯出口温度为323.3℃，堆芯最佳估算流量为14275.6kg/s，反应堆堆芯旁流为5.9%。
2、AP1000先进性
AP1000压水反应堆的先进性体现在使用成熟技术的基础上，在设计上采用了非能动的安全系统，即非能动的安注系统，堆芯余热排除系统，安全壳冷却系统，加强了预防和缓解严重事故的措施，提高电站的安全性；同时，由于非能动技术的使用，使得电站的辅助设备大大减少，减少了故障的概率，提高了安全性，在经济上也得到了体现。
2.1 应用成熟技术
AP1000的系统，设备，部件的设计与分析都是基于经过验证的成熟技术；并借鉴了当今运行的压水反应堆电站的经验，使用经过验证的工艺。除了紧急堆芯冷却系统和安全壳冷却系统之外，AP1000核岛系统设计的出发点都是当今运行电厂经过验证的系统设计，许多AP1000系统部件也都是基于当今运行电厂使用的，经过验证的部件设计。
在AP1000的设计与分析中，使用了包括计算机程序在内的，当今最新的设计与分析技术。在许多情况下，在支持当今电站改进，蒸汽发生器与反应堆压力容器顶盖的更换方面，它们都是一样的。电站的建造技术也是基于经过验证的方法，包括大规模的模块使用，都在核与非核的，成功建造的大型项目中得到了证实。
AP1000核设计已经得到了美国核管会的最终设计批准。美国核管会已经发布了完成电站技术安全审查的最终安全分析报告。
2.2 安全性
AP1000采用非能动的安全系统，它是AP1000的关键系统。在缓解设计基准事故期间，利用系统固有的热工水力特性，通过重力、流体的自然对流，扩散等天然原理，使核电站保证安全的措施不再依赖泵、风机、安全级柴油机等能动设备的运行，从而大幅度地减少了安全级的阀、泵、电缆及抗震厂房。
非能动的安全系统还使得紧急堆芯冷却系统、安全壳冷却系统发生了明显的简化，包括取消了所有安全级的泵。在AP1000中非能动的安全系统的使用，使得当今电站中许多安全级的辅助系统都变成了非安全系统。由于减少了安全级设备的数量，在役检查和维修也下降了。
为了消除密封水注入系统，以及连续提供密封水注入需要的电力，避免反应堆冷却剂通过泵密封流失，AP1000非能动设计使用了具有非常成功经验的无泄漏的屏蔽式主泵。
跟当今运行电站相比，AP1000非能动的安全系统使得用电站概率风险评价估计的堆芯融化频率下降。堆芯熔化频率为每堆年2.4110-7，严重事故下大量放射性物资向环境释放概率为每堆年1.9510-8；比二代反应堆降低了两个数量级。因此，设计中采用的非能动的严重事故预防和缓解措施使电站的安全性能得到了大副提高。
2.3 经济性
由于采用了非能动的安全系统，跟常规压水堆核电站相比，AP1000减少了近35%的泵、50%的阀门、80%的管道、70%的电缆和45%的抗震建筑；还大幅度减少了能动安全设备、构筑物和安全电源，降低了大宗材料用量；系统简化使设计简化、工艺布置简化、施工量减少、运行及维修量也相应减少。安全相关系统和部件的大幅减少，使得电站设备投资成本大大降低，发电成本更具有竞争力，提高了电站的经济性。
AP1000在建造中大量采用模块化建造技术。整个电站共分4种模块类型，其中结构模块122个，管道模块154个，机械设备模块55个，电气设备模块11个。模块化建造技术使建造活动处于容易控制的环境中，在制作车间即可进行检查，保证建造质量。平行进行的各个模块建造大量减少了现场的人员和施工活动。按模块进行混凝土施工、设备安装的建造方法可以与电站的前期工程平行开展，这将缩短AP1000的建设周期，降低建设成本，提高电站的经济性。
3、AP1000建造风险
3.1 示范电站的风险
三门核电项目作为AP1000的示范电站，在设计理念上跟传统的压水堆电站相比发生了巨大的变化。这些变化使得电站的布置，设备制造，电站安装、运行及维修都带来了新的问题。而这些问题的解决还没有完全可以借鉴的经验。因此，在反应堆建设过程中充满了一些不确定性。正是因为这些不确定性，可能该工程建设的顺利推进带来潜在的风险。
3.2 设备设计风险
美国西屋公司为AP1000提供的反应堆冷却剂泵是由EMD公司生产的屏蔽泵。已有1500台核领域应用的经验，其中100台屏蔽泵的尺寸和重量是AP1000主泵的80-90%，电机功率达到了3000马力（AP1000要求达到7000马力）；但这些屏蔽泵都没有采用飞轮结构。
AP1000主泵设计是在原有AP600基础上进行尺寸，重量和功率放大。以往使用的屏蔽泵没有采用飞轮结构，西屋也就是在AP600设计过程中进行过飞轮性能试验，对于AP1000现在飞轮结构大小，性能的合理性还需要进行试验验证。
因此，如果设备设计方面存在问题，必须进行相应的设计修改的话，都将会对工程的进度造成延误，给工程的顺利建设带来潜在的风险。
3.3 设备的制造风险
由于AP1000的许多核岛设备都要实现国产化，国内主要的核电设备制造厂家无论是制造技术水平，还是质量管理水平跟国外发达国家相比都存在一定的差距，尽管在设备国产化过程中有外方的技术转让，但要在短期内消化这些技术，并实现按时提交合格产品，对国内制造厂家来说是严峻的挑战。
目前，由于国内核电发展形势大好，开建的机组较多，而有资格生产核电设备，特别是生产关键核电设备的厂家较少，有经验的人员和生产能力都有限，要在短期内解决这些问题存在很大的困难。
因此，由于这些原因，给AP1000电站设备的顺利制造带来了潜在的风险。
4AP1000改进方向
由于AP1000是在AP600的基础上改进而来，设计上还存在许多不完善的地方，需要在今后的AP1000反应堆建设中逐步完善。同时，为了实现规模效益，必须在AP1000建成并取得经验的基础上，开展更加深入的设计与研究工作。
4.1主泵的改进
西屋AP1000屏蔽泵是按照60Hz设计的，而中国的电网是50Hz。因此，泵除了在启动时要用变频装置外，还要在正常运行条件下继续使用变频器，将50Hz电源转换成60Hz以用于主泵的运行。
变频器在美国只用于启动主泵，泵启动之后就被旁路掉了，在中国则要持续运行。变频装置长期使用寿命不高，影响寿命的主要因素为关键元器件、电容和辅助系统的泵阀等，需要维修和更换，增加了预防和日常维护的工作量，增加了维修、更换费用。因此，理想的方法是开发50HzAP1000屏蔽泵，这样，在主泵启动达到额定转速之后，就可以不再使用变频器。
把60Hz屏蔽泵改为50Hz屏蔽泵，泵的惰转特性将会发生变化，还需要增大泵的尺寸、增加设备占用空间，对安全壳的结构大小也会带来改变，为此必须修改电厂设计，重新进行安全评审，带来一系列的改进问题。
4.2功率能力的提升
为了实现规模效益，必须将反应堆功率进一步提高。随着AP1000在设计和运行方面的成熟，可通过在AP1000中增加第3个回路的方式，大范围使用类似尺寸大小的设备，如蒸发器和反应堆冷却剂泵，使电厂的功率水平至少达到1500MW。
为了实现AP1000反应堆功率能力的提升，必须对堆芯大小和功率，反应堆压力容器及其径向反射层的使用，蒸汽发生器的大小与技术，反应堆冷却剂泵大小，安全壳尺寸和排热能力，非能动余热排出能力，非能动安全系统系统的性能；以及反应堆安全分析，热工水力模拟，概率风险评价等方面进行探索。
5结束语
1)通过了解AP1000压水反应堆，有利于我们更好了解目前世界上最先进的压水反应堆技术以及发展水平，促进我国核电技术的发展。
2)AP1000是目前世界上最先进的第三代压水反应堆，尽管技术上是成熟的，但由于没有参考电站。因此，电站建设存在一些潜在的风险，尤其是可能造成工程建设的进度延误。对存在问题的预先考虑，有利于我们提前采取应对措施，保证电站的顺利建设。
3)要进一步提升电站的规模效益，必须在AP1000建成运行之后，在总结经验的基础上，开展更加深入的设计与研究工作，才能使得非能动先进压水反应堆技术的应用走向成熟。（作者：唐锡文）
图1 AP1000反应堆一回路立体布置
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1、简介
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AP1000属于第三代先进压水反应堆，是美国西屋公司开发的一种双环路100千瓦级的先进压水堆核电机组。与二代反应堆技术相比，AP1000通过采用非能动专设安全系统，提高系统的可靠性；通过简化系统，并采用模块化建造技术缩短建造周期。通过这些改进，来达到电厂安全性和经济性的有机协调。
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AP1000是一个主回路为两环路的压水堆电站。主回路由一台反应堆压力容器，一台稳压器，两台大容量的蒸汽发生器，4台屏蔽式主泵和4条冷段、2条热段管道组成。由于主泵入口直接和蒸汽发生器下封头焊接在一起，消除了2代反应堆中蒸汽发生器与主泵入口之间的U型管道，减少了回路的阻力；同时，主管道简化设计，减少焊缝和支撑。见图1AP1000反应堆一回路立体布置。
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AP1000设计基于AP600，并在此基础上进行了适当的改进。机组采用单堆布置方式。为了达到更高的电站功率，一方面，加大了核蒸汽供应系统主要部件的尺寸，包括增加反应堆压力壳的高度、堆芯长度，另一方面，增大蒸汽发生器、稳压器、汽轮机的尺寸和容量以及燃料组件的数目。为了实现非能动安全系统设计，采用了带变频器的大型屏蔽泵。此外，AP1000还采用了成熟的数字化仪控系统；反应堆厂房采用内层为钢，外层为混凝土结构的双层安全壳，施工安装过程采用了有利于缩短建造工期的模块化的建造模式。
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AP1000设计寿命为60年，单机组的热功率为3415MWe，电功率为1115MWe，热效率约为33%，机组可利用率为93%，反应堆一回路压力为15.51MPa，堆芯入口温度为280.7℃，堆芯出口温度为323.3℃，堆芯最佳估算流量为14275.6kg/s，反应堆堆芯旁流为5.9%。
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2、AP1000先进性
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AP1000压水反应堆的先进性体现在使用成熟技术的基础上，在设计上采用了非能动的安全系统，即非能动的安注系统，堆芯余热排除系统，安全壳冷却系统，加强了预防和缓解严重事故的措施，提高电站的安全性；同时，由于非能动技术的使用，使得电站的辅助设备大大减少，减少了故障的概率，提高了安全性，在经济上也得到了体现。
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2.1 应用成熟技术
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AP1000的系统，设备，部件的设计与分析都是基于经过验证的成熟技术；并借鉴了当今运行的压水反应堆电站的经验，使用经过验证的工艺。除了紧急堆芯冷却系统和安全壳冷却系统之外，AP1000核岛系统设计的出发点都是当今运行电厂经过验证的系统设计，许多AP1000系统部件也都是基于当今运行电厂使用的，经过验证的部件设计。
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在AP1000的设计与分析中，使用了包括计算机程序在内的，当今最新的设计与分析技术。在许多情况下，在支持当今电站改进，蒸汽发生器与反应堆压力容器顶盖的更换方面，它们都是一样的。电站的建造技术也是基于经过验证的方法，包括大规模的模块使用，都在核与非核的，成功建造的大型项目中得到了证实。
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2.2 安全性
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AP1000采用非能动的安全系统，它是AP1000的关键系统。在缓解设计基准事故期间，利用系统固有的热工水力特性，通过重力、流体的自然对流，扩散等天然原理，使核电站保证安全的措施不再依赖泵、风机、安全级柴油机等能动设备的运行，从而大幅度地减少了安全级的阀、泵、电缆及抗震厂房。
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非能动的安全系统还使得紧急堆芯冷却系统、安全壳冷却系统发生了明显的简化，包括取消了所有安全级的泵。在AP1000中非能动的安全系统的使用，使得当今电站中许多安全级的辅助系统都变成了非安全系统。由于减少了安全级设备的数量，在役检查和维修也下降了。
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为了消除密封水注入系统，以及连续提供密封水注入需要的电力，避免反应堆冷却剂通过泵密封流失，AP1000非能动设计使用了具有非常成功经验的无泄漏的屏蔽式主泵。
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2.3 经济性
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由于采用了非能动的安全系统，跟常规压水堆核电站相比，AP1000减少了近35%的泵、50%的阀门、80%的管道、70%的电缆和45%的抗震建筑；还大幅度减少了能动安全设备、构筑物和安全电源，降低了大宗材料用量；系统简化使设计简化、工艺布置简化、施工量减少、运行及维修量也相应减少。安全相关系统和部件的大幅减少，使得电站设备投资成本大大降低，发电成本更具有竞争力，提高了电站的经济性。
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3、AP1000建造风险
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3.1 示范电站的风险
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3.2 设备设计风险
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美国西屋公司为AP1000提供的反应堆冷却剂泵是由EMD公司生产的屏蔽泵。已有1500台核领域应用的经验，其中100台屏蔽泵的尺寸和重量是AP1000主泵的80-90%，电机功率达到了3000马力（AP1000要求达到7000马力）；但这些屏蔽泵都没有采用飞轮结构。
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AP1000主泵设计是在原有AP600基础上进行尺寸，重量和功率放大。以往使用的屏蔽泵没有采用飞轮结构，西屋也就是在AP600设计过程中进行过飞轮性能试验，对于AP1000现在飞轮结构大小，性能的合理性还需要进行试验验证。
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因此，如果设备设计方面存在问题，必须进行相应的设计修改的话，都将会对工程的进度造成延误，给工程的顺利建设带来潜在的风险。
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3.3 设备的制造风险
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由于AP1000的许多核岛设备都要实现国产化，国内主要的核电设备制造厂家无论是制造技术水平，还是质量管理水平跟国外发达国家相比都存在一定的差距，尽管在设备国产化过程中有外方的技术转让，但要在短期内消化这些技术，并实现按时提交合格产品，对国内制造厂家来说是严峻的挑战。
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目前，由于国内核电发展形势大好，开建的机组较多，而有资格生产核电设备，特别是生产关键核电设备的厂家较少，有经验的人员和生产能力都有限，要在短期内解决这些问题存在很大的困难。
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因此，由于这些原因，给AP1000电站设备的顺利制造带来了潜在的风险。
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4AP1000改进方向
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由于AP1000是在AP600的基础上改进而来，设计上还存在许多不完善的地方，需要在今后的AP1000反应堆建设中逐步完善。同时，为了实现规模效益，必须在AP1000建成并取得经验的基础上，开展更加深入的设计与研究工作。
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4.1主泵的改进
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西屋AP1000屏蔽泵是按照60Hz设计的，而中国的电网是50Hz。因此，泵除了在启动时要用变频装置外，还要在正常运行条件下继续使用变频器，将50Hz电源转换成60Hz以用于主泵的运行。
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变频器在美国只用于启动主泵，泵启动之后就被旁路掉了，在中国则要持续运行。变频装置长期使用寿命不高，影响寿命的主要因素为关键元器件、电容和辅助系统的泵阀等，需要维修和更换，增加了预防和日常维护的工作量，增加了维修、更换费用。因此，理想的方法是开发50HzAP1000屏蔽泵，这样，在主泵启动达到额定转速之后，就可以不再使用变频器。
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把60Hz屏蔽泵改为50Hz屏蔽泵，泵的惰转特性将会发生变化，还需要增大泵的尺寸、增加设备占用空间，对安全壳的结构大小也会带来改变，为此必须修改电厂设计，重新进行安全评审，带来一系列的改进问题。
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4.2功率能力的提升
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为了实现规模效益，必须将反应堆功率进一步提高。随着AP1000在设计和运行方面的成熟，可通过在AP1000中增加第3个回路的方式，大范围使用类似尺寸大小的设备，如蒸发器和反应堆冷却剂泵，使电厂的功率水平至少达到1500MW。
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1)通过了解AP1000压水反应堆，有利于我们更好了解目前世界上最先进的压水反应堆技术以及发展水平，促进我国核电技术的发展。
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2)AP1000是目前世界上最先进的第三代压水反应堆，尽管技术上是成熟的，但由于没有参考电站。因此，电站建设存在一些潜在的风险，尤其是可能造成工程建设的进度延误。对存在问题的预先考虑，有利于我们提前采取应对措施，保证电站的顺利建设。
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3)要进一步提升电站的规模效益，必须在AP1000建成运行之后，在总结经验的基础上，开展更加深入的设计与研究工作，才能使得非能动先进压水反应堆技术的应用走向成熟。（作者：唐锡文）
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