小型模块化反应堆CAREM简介

叶竹　曹思民　王诗倩

【摘 要】目前，世界对电力的需求日益增长，而小型化模块化反应堆由于能够满足用户更加广泛和灵活发电需求。本文对目前已经处于建造状态的阿根廷CAREM一体化小型化反应堆进行了介绍，并对其设计特点进行了分析。

【关键词】CAREM；一体化；小型化模块反应堆；设计特点

中图分类号： TM623.2 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）11-0048-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.019

【Abstract】Nowadays， the demand of power is constantly increasing all over the world. The small module reactor （SMR） can satisfied users more feasible and widely demand. This paper has introduced the integrated CAREM SMR and analysis their design characteristics.

【Key words】CAREM； Integrated； SMR； Design Characteristics

1 介紹

在可预计的将来，世界对电力的需求可能会增加近一倍。小型模块化反应堆作为传统核电站的补充，可以满足小电网区、边远地区和极地岛屿的电力需求，同时还能在海水淡化或热电联供等特殊需求市场发挥作用。

目前，全世界已经有三座小型化反应堆处于建造状态，分别是阿根廷的CARM25，俄罗斯的KLT-40S和中国的HTR-PM。其中CAREM是一个基于轻水堆技术的国家级的小堆开发项目。由阿根廷国家原子能委员会（CNEA）和阿根廷领头的核能公司合作，目的是开发，设计和建造创新型的小型核电厂，具有强大的经济竞争力和高安全级别。CAREM是一种一体化的压水堆，采用独特的间接蒸汽循环，简化了设计的同时达到了更高的安全性。CAREM反应堆使用阿根廷国内的技术开发，至少70%的部件和相关功能由阿根廷国内的公司提供。原型机CAREM-25热功率为100MW（30MW电功率）。

2 适用范围

CAREM的设计用途是为给低电力需求的地区提供电力，也可用于海水净化提供淡水或为海边的设施提供电力。

3 发展里程碑

1984年 CAREM的概念在一次关于小堆的IAEA会议中被提出， CNEA正式开展CAREM项目

2001-02年该设计在第4代国际论坛上进行评估，被选为近期发展小组

2006年阿根廷核能恢复计划将CAREM-25列为国家核能发展的首要目标之一

2009年CNEA为ARN完成了CAREM-25的初步安全分析报告（PSAR），发布声明称Formosa省被选为CAREM小堆建造的地址

2011年开始进行高温高压循环以测试创新的液力控制棒驱动机制（CAPEM）

2011年开始进行开挖工作，股东们的协议和合约正在进行中

2012年进行土建工程

2014.2.8正式开始施工建造

预计2019年首次装料

4 总体设计介绍

4.1 设计思路

CAREM是一种设计独特的基于间接循环的自然流动反应堆，设计简化且提升了安全性。它的主要循环（一回路）全部处于反应堆压力容器内而且不需要任何一回路循环泵。这个压力输送的过程由压力容器内液体蒸发和蒸汽冷却的平衡达成。CAREM的设计减少了敏感部件的数量并降低了与环境相互作用的潜在风险。

一些重要的设计特性包括：

一体化主回路冷却系统

自加压

自然循环冷却堆芯

容器内控制棒驱动机制

非能动安全系统

具有成本效益的内在化安全性能平衡的最优化的设计

4.2 核蒸汽供应系统

CAREM是一个一体化的反应堆。具有高能量的重要系统（堆芯、蒸汽发生器、一回路冷却剂和蒸汽穹顶）被装在一个压力容器内。一回路冷却剂流动通过自然循环完成，蒸汽发生器被布置在堆芯上方如图1所示（以形成重力势能差）。水（冷却剂）从下方进入堆芯，加热后冷却剂离开堆芯从上方通过烟囱状的管道进入蒸汽穹顶。随后冷却剂从侧面的出口进入外部区域；随后流过模块化蒸汽发生器，焓值降低；再通过下导管从下方进入堆芯，完成循环。在稳态工况下，冷却剂流动的驱动力由流体密度差提供，由摩擦损失平衡，因此堆芯中可保持有适当的流量。冷却剂同时还作为中子慢化剂。

4.3 反应堆堆芯

CAREM-25的堆芯燃料组件呈六角形排列，共有61个燃料组件，反应长度约1.4m。每个燃料组件有108根外径9mm的燃料棒，18个导向套筒和一个仪表套筒，如图2所示。燃料为1.8% - 3.1%富集度的UO2。燃料循环可根据用户需求定制，作为参考的设计原型是510天满功率运行50%堆芯替换率。

4.4 反应性控制

反应性控制使用Gd2O3在特定的燃料棒中作为可燃毒物，同时还作为属于调节和控制系统的活动的吸收元件。在正常运行和停堆中冷却剂中的中子毒性不用于反应性控制。每个吸收元件由一组连接到结构元件（多脚架）的棒簇组成，所以整个棒簇作为一个整体移动。吸收棒装在导管内。吸收材料通常采取Ag-In-Cd合金。吸收组件在反应堆正常运行时用于控制反应性，并在需要时突然中断链式反应。

4.5 反应堆压力容器及内部构件

压力容器高11m，直径3.4m，厚度从13cm到20cm不等。压力容器由铸钢构成，内衬为不锈钢。

4.6 反应堆冷却剂系统

一回路冷却由自然循环驱动。CAREM的一回路全部处于压力容器内且无冷却泵。堆芯加热冷却剂使其向上流入立管，加热后的冷却剂从立管中流出，通过螺旋线圈状的蒸汽发生器导管，蒸汽发生器作为热阱吸收热量。

4.7 稳压器

蒸汽穹顶中自加压的一回路导致了汽液两相的平衡状态。压力容器中巨大的蒸汽容积作为稳压器存在，同时调节最终的压力波动。由于自加压，堆芯出口的整体温度对应一回路压力下的饱和温度。这种设计方式取消了传统压水堆中典型的加热器。

4.8 蒸汽发生器

12个相同的小型螺旋状一次通过式蒸汽发生器垂直地等距离布置在压力容器内表面。每个蒸汽发生器由7个线圈状的管道层组成，共52根长26m的平行管道。蒸汽发生器用于将一回路的热量传递给二回路，产生4.7MPa的过热蒸汽。二回路给水在蒸汽发生器导管中從下往上流动，一回路冷却剂在另一侧以相反方向流动。为了在二次侧达到一致的压力损失和过热度，所有管路的长度相等。出于安全因素的考虑，蒸汽发生器被设计为在二次侧无压力时能承受住一回路的全部压力。整个蒸汽系统在蒸汽发生器导管破裂的事故下，一直到隔离阀之前的部分（包括蒸汽出口和给水入口）能承受一回路压力。

5 安全特征

5.1 工程安全系统构造和途径

CAREM的安全系统由两列反应堆保护系统（RPS）、两列停堆系统、非能动余热排出系统（PRHRS），安全阀和泄压阀、低压注入系统和压力抑制型安全壳。两列停堆系统满足冗余、独立、分离、多样化的条件并可以自动动作。每列系统可以独立地在所有停堆工况下将堆芯保持在次临界状态；初次停堆系统（FSS）由9根快速停堆棒和堆芯上方的16根反应性调整和控制棒组成。在需要的情况下棒组通过重力下落。二次停堆系统由一个重力驱动的高压硼水（两个罐子）注入设备组成，如果FSS系统未能动作，这个设备会自动动作。当丧失热阱或全厂断电（SBO）事故下，两列PRHRS的其中一列可在36小时（宽限期）内排出堆芯余热可以保持安全的堆芯温度。在CAREM中全厂断电事故被定义为设计基准事故。PRHRS是由平行的水平U型管构成的热交换器（冷却器），与常规的集管相连。一组集管与压力容器的蒸汽穹顶相连，另一组（冷却回流管线）与压力容器在蒸汽发生器一次侧的入口相连。

通过自然循环，设计提供了堆芯余热排出功能，将余热排到安全壳内专用的水池中，随后排到抑制池。两台冗余的柴油发电机为运行的冷却系统长期供能。尽管超过36小时的全厂断电事故较为少见，设计中还是考虑了由灭火系统或者外部泵和安全壳保护支持的简单系统延长宽限期。

设计准备了液压控制和压力容器下封头熔融物堆内滞留冷却来缓解严重事故。具有重要安全功能的系统、结构和部件（SSCs）的安全级别由低等级的安全功能（LLSF-源于基础安全功能）和满足这些功能的SSCs安全功能组确定。LLSF的安全分类准则和SSC的安全级别来源于纵深防御的设计理念和概率性和确定性的考虑。一共定义了三个级别和种类。这种方法为重要安全系统及其SSCs提供了一个清晰的设计规则和要求。

5.2 安全壳系统

带有抑制池的圆柱型安全壳容器外墙为1.2m厚的加强混凝土，内侧有不锈钢内衬，可承受0.25g的地震。设计为可承受0.5MPa的压力。最终热阱在安全壳内，可以在外部极端事故下提供保护。

6 电厂安全和运行

冷却剂的自然循环根据不同的功率在主系统中产生了不同的流量。在不同功率切换的过程中，流量中会得到一个自修正的反馈。由于压力容器（蒸汽穹顶）的自加压功能，系统的压力非常接近饱和压力。在所有的运行工况下这可以保证压力容器压力反应足够的稳定性。控制系统可通过不同的瞬态将反应堆压力控制在特定的运行定值，甚至在功率剧变的情况下都是如此。负反应性反馈系数和一回路中大量的水存量与自加压特征一起使得用最小的控制棒动作就可以实现这个行为（指将反应堆压力控制在特定的运行定值）。另外，蒸汽穹顶中还有一个冷却线圈管路来调节反应堆运行点。创新性的设计消除了许多可能导致事故工况的事件，如大LOCA、LOFA和弹棒事故。另一方面设计中还考虑了假想的多重故障事故，如ATWS、PRHRS和辅助柴油发电机故障。此外，大比值的一回路水量/功率比率使得电厂在大多数系统和部件严重故障后的瞬态易于处理（因为热惯性很大）。设计中开发了概率性和确定性的安全分析；完全满足了常规需求并在满足验收准则的基础上还具有很大的裕量。

7 仪表和控制系统

电厂控制由分散的控制系统进行，基于电脑控制并具有高可用率。设有两套多用化保护系统：初次反应堆保护系统（FRPS）和二次反应堆保护系统（SRPS），每个系统有四套冗余。设有两套多样化核仪表系统（NIS），分别用于FRPS和SRPS。

8 设计和审批状态

在完成审批过程后，原型机组的建造已经开始。阿根廷国内不同股东关于部件制造的合同已经签署。当地政府批准了环境影响研究。非核厂房的建造在2014年2月开始。

【参考文献】

[1]IAEA，small modular reactors， https：//www.iaea.org/topics/small-modular-reactors.

[2]IAEA ARIS，Advances in Small Modular Reactor Technology Developments，2016 Edition.

[3]NNL，Small Modular Reactors （SMR） Feasibility Study， December，2014.