核电厂反应堆小幅功率提升技术的应用

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。

4.3 安全分析技术

由于核电厂运行功率的提升，安全分析报告中涉及需要满功率值作为初始输入条件的事故需要重新进行分析。该部分分析主要是由核电厂组织开展的，并对核电厂最终的安全分析报告中的相关内容进行修改，并提交核安全监管当局，监管当局组织对更新后的最终安全分析报告进行评审，评审通过后发放新的许可证。

同时，事故分析中还应考虑由于功率提升引起的运行参数的改变，重点关注由于运行参数的改变带来的应力、冲刷腐蚀影响等问题。

此外，由于运行功率的提升，申请者还应对核电厂运行技术规格书进行评估，对相应的内容进行修改，并提交监管当局进行审查。

5 结论

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小幅提升技术的相关研究，提高核电机组功率，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。本文通过分析国外小幅功率提升技术实践，并结合我国核电现状，认为我国有必要开展小幅功率提升技术的应用，并提出如下建议：

（1）应加快制定我国核电厂功率小幅提升的指导性文件，为技术的应用和安全审评提供依据；

（2）加快推进国内高精度超声波流量计的研发工作，并建立一套超声波流量计测量不确定度分析、流量计的校准、流量计的电厂安装和定期维护方法；

（3）应进一步提升安全分析报告中对功率提升敏感度较高事项的分析和审评能力，提升电厂技术规格书的修订和审查能力。