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为了获得自主知识产权,CAP1400技术方案不断突破设计和制造瓶颈,图1给出了方案的发展演变过程。方案一与方案二是基于2007年与2008年时国内的设计能力水平、制造能力水平,主要考虑堆芯燃料组件数目从157盒扩大到193盒,安全壳、主泵、蒸汽发生器基本保持不变,通过适当加大流量、扩大回路温差来扩大反应堆的热功率,使毛功率超越1 350 MWe。
由于受到知识产权问题的挑战,促进我们不断试验研究与工程开发,特别是重大专项共性技术的研究和设计能力的提高,在2010年提出了方案三,并最终通过与主泵,蒸汽发生器等设备的设计迭代形成了方案四,从而使净功率超过1 350 MWe,具备型号自主知识产权。
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在AP1000的基础上继续扩大功率面临诸多方面的技术挑战和难点,同时新型号的核电设计又是一项系统性很强的工程。因此,压水堆重大专项的最大创新成果是拥有自主知识产权的CAP1400整个型号的定型。表1给出了CAP1400的关键参数。
参数 AP1000 CAP1400 堆芯热功率/ MWt 3 400 4 040 电功率/ MWe ~1 250 ~1 500 反应堆回路 2环路 2环路 反应堆平均温度t/ ℃ 300.9 304 燃料组件数/盒 157 193 平均线功率密度/(W/cm) 187 181 主泵流量(单泵)/(m3/h) 17 886 21 642 SG出口压力p/MPa(a) 5.61 6 蒸汽流量(单个SG)/(kg/s) 944 1 122 DNBR裕量/% >15 >15 CAP1400总体设计首先满足最新的先进法规标准要求,包括:IAEA安全要求和导则、中国法律、国标技术、行业标准、工业标准、NRC法规、ASME、IEEE、IEC和URD要求。同时,CAP1400在确保安全的前提下进一步提升安全性和经济性。从单位容量占地面积角度来讲,CAP1400的总体布置紧凑合理,占地面积仅为0.164 m2/kW,小于传统的二代加堆型以及AP1000。
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CAP1400的先进性体现在安全性、经济性、简化、灵活性、废物产量最小化和人因舒适性等各个方面。设计过程中通过落实可靠性分配的设计思想、贯彻最新的安全设计标准、遵守最严格的排放要求,吸纳福岛核事故后的经验反馈,使CAP1400达到最先进的技术水准,从而具备较强的市场竞争能力。
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CAP1400的安全性提升主要体现在:
1)提高纵深防御能力,提高抗震能力与电源可靠性。
2)优化与平衡系统设计,改进和强化安全系统,增大安全系统关键设备的容量配置,进一步提升安全设计裕量。
3)堆芯热工裕量大于15%,钢安全壳自由容积进一步增大,设计裕量大于10%。
4) PSA分析表明,CAP1400总CDF小于4.02×10-7,总LRF小于5.21×10-8,均小于HAF102以及URD的要求。
5)安全停堆地震为0.3 g,高置信度低失效概率复核达到(0.56~0.9) g,可满足基岩和软土地基厂址要求。
6)采用钢板混凝土设计,按美国NEI导则进行分析,结果表明飞机撞击不会影响安全壳结构的完整性、反应堆冷却能力、乏燃料池的完整性及其冷却能力,设计符合国际上目前关于飞机撞击的安全标准要求,具备抗大型商用飞机撞击的能力。
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CAP1400的经济性提升主要体现在:
1)展开自主化、标准化和简化设计,提高机组电功率和可利用率,优化系统与参数,提高热效率。
2)推进关键设备和大宗材料的国产化,进行昂贵材料的优化替换。
3)建立成熟的合格供应链,实现关键设备全覆盖。每个设备选择2~3家供应商,建立良性的市场化竞争,倡导共享利益、和谐发展的多赢理念。
同时,持续推进标准化设计,固化项目管理模式,减少项目运作风险,优化施工流程,突出工厂化预制和模块化施工的优势,控制并降低工期。
据评估,CAP1400示范工程电价预计为0.41元/kWh,后续CAP1400项目约为0.380~0.396元/kWh。
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1)采用193盒燃料组件,换料周期为18个月,具备24个月换料能力和50%MOX燃料装载能力。
2)采用高燃耗、低泄露堆芯装载方式,提高中子经济性的同时促进压力容器60年设计寿命的实现。
3)采用机械补偿方式实现不调硼负荷跟踪。在负荷跟踪的工况下废水产生量相比于其它堆型大大减少,提高了机组正常运行时的环境相容性。
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1)采用非能动系统预防和缓解设计基准事故以及严重事故。包括非能动堆芯冷却系统、非能动安全壳冷却系统、堆内熔融物滞留系统、氢气控制系统以及主控室可居留系统等。72 h可不需要操作员动作,大大降低人因失误。72 h后,通过少量厂外支持可实现长期衰变热移除。
2)非能动安全系统中的水箱、管线、阀门在设计中考虑更强的缓解能力。爆破阀尺寸增大至18 in,加速安全壳内置换料水箱注射动作。优化安全系统相关设备容量,避免“陡边”效应发生。
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1)主控室的设计运用优化的人因工程理论和设计寿期验证技术。
2)充分考虑核岛内运维时的可达性,配备照明暖通等支持系统。
3)采用虚拟现实和增强现实等技术进行维修模拟,提高机组的可运行性和可维修性。
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根据AP1000依托项目的经验反馈,优化模块化设计和建造,减少现场施工组装工作量,方便制作、运输、安装和施工,缩短批量化建造时的工期,从而降低总造价,同时为后续运行维护提供便利条件。此外,模块化的优势将随机组数量的增加进一步显现。CAP1400模块数量见表2。
核岛 结构模块 设备模块 总计 发应堆厂房 65 12 77 辅助厂房 19 42 61 总计 84 54 138 -
1)采用合理可行尽量低原则,职业辐照集体剂量小于0.67人·SV/年。
2)从源头上减少放射性物质产生,包括采用低钴材料,减少腐蚀产物;采用机械反应性补偿进行负荷跟踪,降低含硼废水量以及确保燃料包壳零破损。
3)研发先进工艺系统,包括采用活性炭吸附降低废气浓度、采用离子交换和化学絮凝工艺处理废液、采用减容技术减少固体废物量,实现固体废物产量小于50 m3/年的目标。
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1)对正常余热排出系统,设冷水系统和厂用水系统以及乏池冷却系统增强抗震能力;强化氢气点火器以及检测仪表的抗震能力,强化多样化驱动系统机柜以及其内部电源的抗震能力;进一步提高纵深防御系统的可靠性。
2)增加抗震等级为Ι类的地震自动停堆系统。
3)抗水淹:采用干厂址设计,避免安全级物项被外部水淹没,同时电厂内部采取防水淹措施,从而提高机组的抗水淹能力。
4)强化全厂断电应对能力:增设移动柴油发电机,增加后续电力供应。
5)强化极端外部事件导致严重事故时堆芯和乏燃料池的长期冷却能力(72 h后),增加移动泵车,提高应急补水能力。
6)强化安全壳超压排放措施。
7)形成SAMG中所用设备清单并强化其严重事故时的可用性。
8)增强应急计划的有效性。
由于CAP1400以上各个方面的革新,能够有效控制投资者的风险,降低核电安全性和经济性等方面的不确定性。