西屋公司先進(jìn)型壓水堆核電機(jī)組AP1000技術(shù)經(jīng)濟(jì)特征綜述
摘要對(duì)西屋公司開發(fā)并正接受美國核管會(huì)（NRC）審查的先進(jìn)非能動(dòng)型壓水堆核電機(jī)組AP1000的主要技術(shù)和經(jīng)濟(jì)特征作了綜述，特別對(duì)其安全性、經(jīng)濟(jì)性、儀控系統(tǒng)構(gòu)架、模塊化建造以及廠址適宜性作了重點(diǎn)描述與分析。
關(guān)鍵詞先進(jìn)型非能動(dòng)AP1000壓水堆機(jī)組技術(shù)經(jīng)濟(jì)特征
Abstract：ThisarticlesumsupthemaintechnicalandeconomiccharacteristicsoftheadvancedpassivepressurizedwaterreactorAP1000whichisdevelopedbyWestinghouseandbeingreviewedbyUSNRC.Thesafety,economics,I&Carchitecture,modularizationconstructionandsiteaccommodationaredescribedandparticularlyanalyzedindetails.
Keywords：AdvancedPassiveAP1000PWRunitTechnicalandeconomiccharacteristics
1AP1000的總體概況和研發(fā)進(jìn)程
1.1總體概況
AP1000是西屋公司開發(fā)的一種雙環(huán)路1000MW的壓水堆核電機(jī)組，在邏輯上是AP600的延伸，保持了AP600的基本設(shè)計(jì)：堆芯尺寸基本不變，采用非能動(dòng)的安全系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)與性能特點(diǎn)滿足用戶要求文件（URD）的要求。
西屋公司在開發(fā)AP1000之前，已完成了AP600的開發(fā)工作，并于1998年9月獲得美國核管會(huì)（NRC）的最終設(shè)計(jì)批準(zhǔn)（FDA），1999年12月則獲得NRC的設(shè)計(jì)許可證，該設(shè)計(jì)許可證的有效期為15年。在為期7年的AP600的開發(fā)中，西屋公司投入了大量設(shè)計(jì)與計(jì)算的人力，并做了大量的實(shí)體試驗(yàn)，召開了眾多聽證與答辯會(huì)，因此AP600無論是其設(shè)計(jì)還是執(zhí)照申請(qǐng)都是成熟的。
隨著解除電力市場的管制，世界電力市場已發(fā)生重大變化，為提升競爭力，核電新的目標(biāo)電價(jià)降為3美分/kWh，AP600已無法滿足這個(gè)要求，為此西屋公司啟動(dòng)了AP1000的開發(fā)工作，以期通過如下改進(jìn)來達(dá)到提升競爭力的目的。
AP1000基本上保留了AP600核島底座的尺寸，并在AP600的基礎(chǔ)上作了如下設(shè)計(jì)改進(jìn)（兩種堆型的比較見表1）：增加堆芯長度和燃料組件的數(shù)目；加大核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)主要部件的尺寸；適當(dāng)增加反應(yīng)堆壓力殼的高度；采用△125的蒸汽發(fā)生器，每環(huán)路為50萬kW；采用大型密封反應(yīng)堆主泵（裝備有變速調(diào)節(jié)器）；采用大型的穩(wěn)壓器；增加安全殼的高度；增加某些非能動(dòng)安全系統(tǒng)部件的容量；增加汽輪機(jī)島的尺寸和容量等。
1.2研發(fā)進(jìn)程
1999年12月AP600獲得美國NRC的設(shè)計(jì)許可證后，西屋公司依據(jù)電力市場的變化，即啟動(dòng)了AP1000的研發(fā)工作。由于AP1000設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想是在AP600的基礎(chǔ)上作最小修改以產(chǎn)生1000MW以上的電力，故AP600的許多設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果被直接用于AP1000，AP1000相對(duì)于AP600的改進(jìn)，則應(yīng)用了西屋公司經(jīng)驗(yàn)證的技術(shù)，因此其研發(fā)進(jìn)程大大加快。2002年3月28日，西屋公司向美國NRC提交了AP1000的認(rèn)證申請(qǐng)，其具體的研發(fā)進(jìn)程如表2所示。
此最新的AP1000取證時(shí)間表中，西屋公司的目標(biāo)進(jìn)度與NRC較保守的目標(biāo)進(jìn)度有一年的差距，但是目前NRC與西屋公司對(duì)于完成安全評(píng)估報(bào)告草案的時(shí)間完全一致。西屋公司已要求NRC進(jìn)一步縮短其完成最終安全評(píng)估報(bào)告的里程碑時(shí)間。NRC已表示所留的時(shí)間過長，他們將努力壓縮這一年的差異。
表1AP1000和AP600主要技術(shù)參數(shù)
2AP1000的技術(shù)特點(diǎn) AP1000是AP600的擴(kuò)大容量版，其設(shè)計(jì)保留了AP600的主要特點(diǎn)，同時(shí)運(yùn)用了一些已經(jīng)驗(yàn)證的技術(shù)，其主要的技術(shù)特點(diǎn)如下： 2.1AP1000的反應(yīng)堆 AP1000的反應(yīng)堆采用西屋成熟的Model314技術(shù)，該技術(shù)已成功地用于比利時(shí)Doel-4、Tihange-3和美國SouthTexasProject電站上。其重要工藝設(shè)備的主要特點(diǎn)如下： 2.1.1反應(yīng)堆壓力容器 采用西屋公司三環(huán)路反應(yīng)堆壓力容器： ?157英尺（398.8cm）壓力容器內(nèi)徑，157個(gè)燃料組件（17×17）， 2.1.2燃料組件 采用西屋Performance燃料組件： ?包殼、格架、嵌環(huán)采用ZirloTM材料， AP1000用157個(gè)PerformanceXL組件，活化區(qū)長度為426.7cm（14英尺）。AP600用145個(gè)Performance組件，活化區(qū)長度為365.8cm（12英尺）。 2.1.3堆內(nèi)構(gòu)件 從反應(yīng)堆壓力容器頂蓋安裝堆芯測量裝置，用西屋-CE堆芯圍筒代替原先的徑向反射層。 2.2反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng) AP1000的反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)為二環(huán)路設(shè)計(jì)，每個(gè)環(huán)路通過冷卻劑管道聯(lián)接有一臺(tái)大容量蒸汽發(fā)生器和兩臺(tái)密封式的冷卻劑泵，此外冷卻系統(tǒng)上還聯(lián)接有一臺(tái)穩(wěn)壓器。AP1000反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)的重要工藝設(shè)備的主要特點(diǎn)如下： 2.2.1蒸汽發(fā)生器 ?采用經(jīng)驗(yàn)證的△125蒸汽發(fā)生器，其設(shè)計(jì)源自西屋-CE，已用于SouthTexasProject-1、-2和Arkansas-2等機(jī)組， ?設(shè)計(jì)特點(diǎn)， ?良好的運(yùn)行業(yè)績， ?超過1200年的累積運(yùn)行時(shí)間，總的管道堵塞率小于0.1。 2.2.2主冷卻劑泵 采用已用于海軍和西屋公司在運(yùn)商用堆上的大型密封電動(dòng)泵。 2.2.3穩(wěn)壓器 相對(duì)于同容量的在運(yùn)核電機(jī)組，加大了50的水裝量，以改善瞬態(tài)響應(yīng)特性。 2.2.4主回路管道 AP1000由于采用了非能動(dòng)的安全系統(tǒng)，主回路管道數(shù)量相比于同容量的在運(yùn)核電機(jī)組減少了70。 2.3安全系統(tǒng) AP1000采用雙層安全殼，并保留了AP600的非能動(dòng)安全系統(tǒng)的構(gòu)架，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡化，安全性大大提高，其系統(tǒng)構(gòu)成和特點(diǎn)如下： 2.3.1非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng) ?系統(tǒng)容量增加以適應(yīng)高的功率要求， ?系統(tǒng)功能的保持， 2.3.2非能動(dòng)安注系統(tǒng) ?保持了AP600的系統(tǒng)構(gòu)架， 2.3.3非能動(dòng)的余熱導(dǎo)出系統(tǒng) ?保持了AP600的系統(tǒng)構(gòu)架， 2.3.4非能動(dòng)的安全殼冷卻系統(tǒng) ?設(shè)置有非能動(dòng)安全殼水儲(chǔ)存箱， ?非能動(dòng)安全殼冷卻水流動(dòng)速率， ?增加了第三種不同形式的排水通道。 2.4儀控系統(tǒng)的主要特征 ?AP1000的儀控系統(tǒng)是基于SizewellB的全數(shù)字技術(shù)而開發(fā)完成的，特別采用了經(jīng)驗(yàn)證的數(shù)字化安全系統(tǒng)， 3AP1000的安全性 3.1AP1000的安全裕量見表3。 表3AP1000的安全裕量 AP1000是AP600的增容版，相對(duì)于AP600所作改進(jìn)，也都是采用一些經(jīng)驗(yàn)證的部件與技術(shù)，因此AP1000是一種成熟的設(shè)計(jì)，它是可以確保投資保護(hù)的。 依據(jù)URD提供的投資估價(jià)基準(zhǔn)，加上運(yùn)用針對(duì)偶然性的概率方法，以及供貨商提供的設(shè)備報(bào)價(jià)等，西屋公司已給出了AP600對(duì)于美國威斯康星州KenoshaGreenfield廠址的投資報(bào)價(jià)（見表5）： 表5AP600基礎(chǔ)投資價(jià)（1997年報(bào)價(jià)） 以上AP600報(bào)價(jià)的可信性是基于以下三方面的理由： ?以上結(jié)論通過了美國電力研究所（EPRI）的審核， AP1000投資估價(jià)是基于AP600估價(jià)的基礎(chǔ)。預(yù)計(jì)約15總投資的增加，便能得到75的功率提升。經(jīng)估算第三座雙AP1000機(jī)組的基礎(chǔ)價(jià)為1150美元/kW，發(fā)電成本為3.6美分/kWh。相對(duì)于相同容量的在運(yùn)壓水堆機(jī)組，AP1000由于采用了非能動(dòng)的安全系統(tǒng)，減少了50的閥門、35的泵、80的管道、45的抗震建筑和70的電纜，從而投資大大下降而工期縮短。 5成熟性 AP600經(jīng)過7年的開發(fā)試驗(yàn)與論證，1999年12月得到NRC的最終設(shè)計(jì)批準(zhǔn)，無論其設(shè)計(jì)還是執(zhí)照申請(qǐng)都是成熟的。 AP1000保留了AP600的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，是其增容版，相對(duì)于AP600所作的改進(jìn)與變更都采用了經(jīng)驗(yàn)證的成熟技術(shù)，因此AP1000是一種滿足URD要求的成熟堆型。 6AP1000的儀控結(jié)構(gòu)與人機(jī)接口 AP1000全數(shù)字化儀控系統(tǒng)參照了SizewellB的設(shè)計(jì)。 6.1先進(jìn)的儀控系統(tǒng)的特點(diǎn) ?經(jīng)驗(yàn)證的數(shù)字化安全系統(tǒng)，采用4選1結(jié)構(gòu)， ?事故后的監(jiān)測， ?緊湊型主控室，大屏幕顯示屏， ?先進(jìn)的報(bào)警系統(tǒng)， ?為防止共模失效， 6.2儀控系統(tǒng)的人機(jī)接口 ?采用緊湊型控制室， ?顯示， ?控制， ?先進(jìn)的報(bào)警管理， ?完全計(jì)算機(jī)化的程序。 7AP1000的模塊化和建設(shè)工期 7.1AP1000的模塊化建造 已作為AP1000電廠詳細(xì)設(shè)計(jì)的組成部分，它直接帶來了工期的縮短，同時(shí)潛在地節(jié)省了后續(xù)機(jī)組的投資。 7.2AP1000的模塊化類型 AP1000的模塊分為結(jié)構(gòu)模塊、管道模塊和設(shè)備模塊。 AP1000結(jié)構(gòu)模塊分為以下幾種模塊： —CA模塊：為注入混凝土的鋼支架模塊， 表6AP1000各種結(jié)構(gòu)模塊的數(shù)量及其所處位置 AP1000核電機(jī)組設(shè)計(jì)完全滿足了URD的要求，URD對(duì)先進(jìn)型輕水堆核電機(jī)組的廠址設(shè)計(jì)基準(zhǔn)參數(shù)要求如下： �。�1）高地下水位：低于廠址標(biāo)高0.6m。 �。�2）最大洪水（或海嘯）水位：低于廠址標(biāo)高0.3m。 �。�3）最大降水（對(duì)廠房屋頂設(shè)計(jì)）：最大降雨速率為49.3cm/hr，最大降雪荷載為2.354kPa。 �。�4）環(huán)境設(shè)計(jì)溫度 ·5超越概率水平 ·1超越概率水平 ·0超越概率水平（歷史記錄極值） �。�5）極端風(fēng)速 50年一遇基準(zhǔn)風(fēng)速為177km/hr。 與安全無關(guān)的結(jié)構(gòu)重要系數(shù)為1.0，與安全有關(guān)的結(jié)構(gòu)重要系數(shù)為1.1。 �。�6）龍卷風(fēng) ·最大風(fēng)速：483km/hr； �。�7）巖土參數(shù) ·最小承載力：≥717.85kPa（反應(yīng)堆廠房和控制廠房地基）； （8）地震 ·廠址安全停堆地震最大地面水平加速度0.3g； （9）大氣彌散因子見表8。 表8大氣彌散因子參數(shù) �。�1）AP1000保留了AP600的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，為二環(huán)路1000MW的先進(jìn)型非能動(dòng)的堆型，為了提高自身的容量，采用了經(jīng)驗(yàn)證的成熟技術(shù)，比如西屋公司Model314堆芯，西屋-CE的蒸汽發(fā)生器、用于美國海軍的密封冷卻主泵、全數(shù)字的儀控系統(tǒng)等，經(jīng)過以上設(shè)計(jì)改進(jìn)，成為百萬千瓦級(jí)的滿足用戶要求文件（URD）要求、設(shè)計(jì)成熟的堆型。 �。�2）AP1000通過反應(yīng)堆設(shè)計(jì)改進(jìn)，并保留了AP600的非能動(dòng)安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，大大提升了機(jī)組的安全性，其堆芯熔化概率達(dá)3×10-7/堆年，遠(yuǎn)低于URD的10-5/堆年的要求，反應(yīng)堆的安全可靠性是有保證的。 �。�3）開發(fā)AP1000的主要出發(fā)點(diǎn)是在保持AP600的先進(jìn)性和安全性的前提下，通過提高機(jī)組容量水平來達(dá)到降低單位造價(jià)和發(fā)電成本的目的。經(jīng)估算，AP1000相對(duì)于AP600，通過增加15的投資，可達(dá)到提升75功率水平的目的，據(jù)西屋公司提供的數(shù)據(jù)，第三座雙堆電廠基礎(chǔ)造價(jià)為1150美元/kW，發(fā)電成本為3.6美分/kWh，體現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)性。由于目前資料有限，AP1000的經(jīng)濟(jì)性有待進(jìn)一步作調(diào)研。 �。�4）我國大陸已通過初步可行性研究審查的核電候選廠址均能滿足AP1000設(shè)計(jì)基準(zhǔn)參數(shù)的要求，這表明AP1000核電機(jī)組在我國大陸核電候選廠址上都能建造。 �。�5）AP1000的模塊化建造已成為AP1000電廠詳細(xì)設(shè)計(jì)的組成部分，它使機(jī)組的建造工期縮短至36個(gè)月，同時(shí)潛在地節(jié)省了后續(xù)機(jī)組的投資。 �。�6）西屋公司在2002年3月向美國核管會(huì)提交了AP1000的認(rèn)證申請(qǐng)，目前正處于評(píng)估審查階段，由于AP1000是AP600的擴(kuò)大容量版，所作改進(jìn)也運(yùn)用了成熟技術(shù)，因此審查通過是不存在問題的。按AP1000的取證時(shí)間表，預(yù)期2005年7月可獲得NRC對(duì)AP1000的設(shè)計(jì)許可證。 參考資料 1.西屋公司."先進(jìn)非能動(dòng)型壓水堆核
2.西屋公司.AP600標(biāo)準(zhǔn)安全分析報(bào)告.
據(jù)此估計(jì)首臺(tái)AP1000機(jī)組具備開工建設(shè)的時(shí)間為2005年。
?環(huán)形鍛件結(jié)構(gòu)，堆芯區(qū)域無焊縫，
?采用改進(jìn)材料，達(dá)到60年壽期，
?西屋-CE堆芯圍筒替代原先的徑向反射層，
?頂部安裝的堆內(nèi)I&C系統(tǒng)，測點(diǎn)位置固定，數(shù)據(jù)在線讀出，保證壓力容器底部無貫穿件。
?抗碎片特性材料，
?中間攪混格架，
?一體化可燃吸收體，
?較大的裂變氣體空腔，
?可拆裝的低鈷頂部噴嘴。
—Inconel690TT管，
—不銹鋼支撐板，
—改進(jìn)的入口，
—堆芯補(bǔ)水箱（CMT）容積增加25，
—換料水箱（IRWST）容積增加80，
—底坑注入量增加110，
—自動(dòng)降壓系統(tǒng)（ADS）容量增加90，
—非能動(dòng)余熱導(dǎo)出容量增加72，
—小破口情況下堆芯不裸露，
—對(duì)燃料芯塊中心溫度（PCT）有大的裕量。
?加大的堆芯補(bǔ)水箱及其流動(dòng)分配孔板，
?加大的換料水箱、再循環(huán)管和4路自動(dòng)卸壓系統(tǒng)的管道尺寸。
?尺寸基于AP600的試驗(yàn)而定，
?與換料水箱相聯(lián)，
?采用經(jīng)驗(yàn)證的蒸汽發(fā)生器技術(shù)，
—采用蒸汽發(fā)生器類同的平直管束及其聯(lián)接方式，
—3/4英寸Inconel690管，
—采用蒸汽發(fā)生器管的檢查方法。
—提供72小時(shí)冷卻水供應(yīng)，
—冷卻水流出量隨時(shí)間而減小，
—高的初始流量：快速形成水膜，有效降低安全殼壓力，
—隨后流量隨衰變熱產(chǎn)生的大小而變化，
?采用了緊湊型的工作站式的控制室，
?采用了先進(jìn)的基于影像技術(shù)的人-機(jī)接口，
?依照NRC的審查準(zhǔn)則而提出的AP1000人因工程設(shè)計(jì)，已作了完整的計(jì)劃并已部分完成。
4AP1000的經(jīng)濟(jì)性
注：發(fā)電成本中包含1.4美分的燃料、運(yùn)行維護(hù)和退役費(fèi)用。
?在準(zhǔn)備匈牙利招投標(biāo)時(shí)，得以證實(shí)，
?日本Obayashi公司研究結(jié)論表明：（1）AP600的36個(gè)月的建造周期不僅能夠達(dá)到，而且還可進(jìn)一步縮短；（2）相似的評(píng)價(jià)結(jié)果表明節(jié)省成本不僅可以在美國實(shí)現(xiàn)，而且也可在日本實(shí)現(xiàn)。
—遵循重要的報(bào)警信號(hào)優(yōu)先報(bào)警的準(zhǔn)則，
—盡可能減少令人討厭的報(bào)警次數(shù)，
—報(bào)警圖標(biāo)顯示于系統(tǒng)和部件圖上并給出靈活的分類列表，
—直接進(jìn)入報(bào)警響應(yīng)程序，
—采用多樣化的安全/非安全級(jí)I&C系統(tǒng)，
—不致于導(dǎo)致同樣的共模失效，
—針對(duì)信息和控制的可進(jìn)入性問題，則采用了多樣性的人機(jī)接口媒體，
—針對(duì)手動(dòng)操作的可信任性問題，則采取縱深防御的分析措施，
—儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足NRC的HICBBTP-19的要求。
—電廠的運(yùn)行由1個(gè)反應(yīng)堆操縱員和1個(gè)監(jiān)督員來完成，
—如需要，控制室外可以容納其他人員，
—由安置于墻上的大屏幕顯示電廠的總體狀況（非1E級(jí)），
—詳細(xì)情況則顯示在工作站上（非1E級(jí)），
—小部分安全級(jí)（1E級(jí)）或有多樣性要求（非1E級(jí)）的數(shù)據(jù)則專門顯示，
—對(duì)于正常運(yùn)行采用軟控制（SoftControl，非1E級(jí)），
—設(shè)置少量針對(duì)安全級(jí)（1E級(jí)）和有多樣性要求（非1E級(jí)）的專用開關(guān)，
—CB模塊：定位用的鋼模板模塊，將在其周圍注入混凝土，
—CG模塊：置于某處而形成構(gòu)筑物的一部分，但并不安裝機(jī)械設(shè)備，
—CH模塊：置于某處而形成構(gòu)筑物的一部分，同時(shí)還安裝某些機(jī)械設(shè)備，
—CS模塊：鋼樓梯模塊。
表7AP1000管道和機(jī)械設(shè)備模塊及其所處位置
7.3標(biāo)準(zhǔn)AP1000的總體建造進(jìn)度見圖1。
8AP1000核電機(jī)組對(duì)廠址適宜性的分析
最高溫度：在濕球溫度25℃時(shí)干球溫度為35℃，濕球溫度26℃；
最低溫度：－20℃。
最高溫度：在濕球溫度25℃時(shí)干球溫度為37.8℃，濕球溫度26.7℃；
最低溫度：－23.3℃。
最高溫度：在濕球溫度26.7℃時(shí)干球溫度為46.1℃，濕球溫度27.2℃；
最低溫度：－40℃。
·最大旋轉(zhuǎn)風(fēng)速：386km/hr；
·最大平移風(fēng)速：97km/hr；
·最大風(fēng)速旋轉(zhuǎn)半徑：45.7m；
·壓降：13.827kPa；
·壓降變化率：8.277kPa/s；
·飛射物按《標(biāo)準(zhǔn)審查大綱》（SRP）3.5.1.4節(jié)要求。
·最小剪切波速：305m/s；
·在廠址安全停堆地震水平作用下無潛在液化土層。
·廠址安全停堆地震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜采用NRC1.60譜；
·廠址安全停堆地震時(shí)程曲線應(yīng)包絡(luò)安全停堆地震反應(yīng)譜。
9AP1000堆型的評(píng)價(jià)意見
- 海底電纜兩項(xiàng)新標(biāo)準(zhǔn)填補(bǔ)國內(nèi)空白
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