钠冷快中子反应堆经济性提升建议

摘要：本文以钠冷快中子反应堆为研究对象，借鉴俄罗斯 BN-1200 快堆优化经验，从提升功率、合理设置回路、设备整合、简化辅助系统、模块化建造、多机组共享设施等方面，给出钠冷快堆整体设计优化建议，旨在提升机组综合经济性。并以快堆超压保护系统为例，提出用安全阀替代液封器、按需选用管道材质等优化方案，应用部分优化建议降低单个系统造价。

关键词：快堆；优化；BN-1200；超压保护

1 引言

快堆是指由快中子引起链式裂变反应的反应堆，是世界先进的第四代核电技术，也是中国实施核能“三步走”中的第二步。与热堆相比，快堆运行效率高，从燃料中提取的能量是现有热堆技术的70倍。快堆主要消耗天然铀中含量99.2%以上的铀-238，可在发电的同时兼具增殖核燃料和焚烧长寿命放射性核素的功能。钠冷快堆是目前世界范围内快堆的主力堆型，一般由钠-钠-水/汽三个回路组成，其中，一回路可设计成池式或者回路式[1]。

为隔离放射性钠，避免放射性钠大规模泄漏，大型钠冷快堆的一回路系统一般采用池式设计。在反应堆调试、运行过程中，为避免一回路系统在各类工况下发生超压事故，进而威胁反应堆的安全，快堆设置了反应堆主容器超压保护系统和反应堆保护容器超压保护系统（以下统称超压保护系统），在一回路系统超压时能够及时泄压，维持一回路系统的压力在正常运行范围内。

本文借鉴BN-1200的设计方案，提出了快堆系统的优化方向，并以快堆超压保护系统为例，提出了系统的优化建议。

2 BN-1200优化及设计方案简介

2.1 BN1200 优化方向

BN-1200 是俄罗斯在其丰富的快堆技术积累基础上开发的新一代商业快堆，作为全球快堆技术的领导者，BN-1200 快堆项目代表了当前快堆技术发展的最高水平[2]。

BN-1200 动力机组基础设计方案于 2014 年完成，配套研发工作也在 2016 年收尾。但后续评估发现，2015 版设计方案在综合性能指标上，已落后于同期先进核电项目及其他发电形式。为弥补差距、提升项目竞争力，2016-2019 年项目组开展全面优化，最终推出BN-1200M（改进型）设计方案。优化共划分为 11 个板块，涵盖反应堆装置、汽轮机房、仪控系统、施工组织设计等领域。以下为核心优化思路与实施方案[3]：

（1）采用非能动系统

全面应用基于非能动运行原理的设备系统；将部分用电设备的供电方式，由柴油发电机（能动系统）改为蓄电池供电；

（2）复用别洛亚尔斯克核电站现有设施

共用现有维修车间；复用现有特种配套建筑与专用水处理系统；接入核电站 4 号机组的液态放射性废物处理系统。

（3）削减设计过度保守项

针对非安全级系统，结合可靠性分析与实际运行经验，合理精简冗余配置，在保障安全的同时控制成本。

（4）仪控系统优化

优化主控室与备用控制室设计，减少开关、按钮等传统操作部件，扩大数字化控制方式的应用范围。

（5）汽轮机房方案优化

重新划定汽轮机房设备的安全等级；削减冗余设备数量；对汽轮机房建筑结构开展专项分析与优化。

2.2 BN-1200设计方案

BN-1200 动力机组的核心设计目标如下：

● 产出热能并进一步转化为电能；

● 高效利用天然铀，以及压水堆（VVER）、BN 系列快堆产生的乏燃料。

该机组设计需满足以下核心要求：

● 杜绝需当地居民疏散或搬迁的各类事故；

● 实现燃料闭式循环，充分挖掘铀原料的能源潜力；

● 可采用铀钚混合氧化物燃料、氮化物燃料运行，同时能够装载镎及次锕系元素；

● 堆芯可根据核电运行需求，灵活适配不同增殖比与燃料装载量；

● 可生产医用及工业用放射性同位素。

BN-1200M的部分基础技术指标见表1。

表1  BN-1200M 核电站部分基础技术指标

根据最新的设计数据，该反应堆的热功率为2800MW，电功率为1220MW，设计寿命不低于60 年，年运行容量因子达到 90%。这些参数不仅代表了当前快堆技术的最高水平，也确保了该反应堆具有良好的经济性和可靠性。冷却剂系统方面，BN-1200 的冷却系统采用了先进的一体化设计理念，将所有一回路钠系统和设备完全集成在反应堆容器内，并在BN-800的基础上，将一回路净化设备置于反应堆容器内，这种设计从根本上消除了放射性钠泄漏的风险，不仅提高了安全性，还简化了系统布置，减少了管道长度和阀门数量。在回路配置上，BN-1200 采用了四回路设计，包括4个大部分独立的主回路和4个完全独立的二回路。其中，二回路系统采用了大功率中间热交换器和蒸汽发生器，主回路管道上采用了可吸收管道热应力的膨胀节，这些设计有效减少了管道长度及阀门数量，进一步减少了厂房面积，提高了经济性。

图1 BN1200布置图

3 快堆的设计优化建议

近年来，随着核电市场的蓬勃发展，核电厂与火电、风电厂的竞争日益剧烈。为进一步提升核电厂的竞争力，核电厂的设计、安装、运维等需进一步简化设计，经济性需进一步提升。本文借鉴BN-1200的设计方案，从系统和厂房设计角度给出对快堆系统的优化方向建议。

（1）提升反应堆功率，提高电功率。反应堆的建造单位造价是基于发电功率和建筑成本进行核算的，在建筑成本有限提高的基础上提高发电功率，可有效降低单位造价。可通过增加组件数目、优化组件布置或者优化组件的结构材料以提高单根组件的性能等方式提升反应堆功率。

（2）基于现有的技术积累选取合适的主系统回路数。需要设置合适的主系统回路数将反应堆堆芯产生的热量导出，如回路数太少，则对单条回路的载热能力要求较高，设备的现有技术可能无法做到；如回路数太多，系统设备、管道数目增多，厂房面积增大，经济性也将随之下降。因此，在现有的技术基础上，最大程度发挥单条回路的载热能力，设置合理的回路数是既保证技术可行性又保证经济性的方式。

（3）系统的主设备大型化或合并设计。该优化可大大减少管道长度、阀门数量及厂房面积，对经济性的贡献是显著的。但该优化对技术成熟度要求较高，需要设计方有较深厚的技术积累。

（4）各辅助系统简化设计。基于已有的设计实践，合理简化设计辅助系统，优化系统配置，减少系统的设备数量及用房需求，进一步减少DCS点数和电器柜数量和容量。

（5）大宗材料选材应符合管道的设计温度、压力，避免过保守设计。

（6）模块化设计和建造。参考AP1000的设计建造经验，采用工厂预制加现场拼装的建造思路，将厂房拆分为结构模块，并将管道、设备布置拆分为管道模块和设备模块，各模块在工厂预制、焊接、检验、预装完成，整体运输到现场进行吊装就位、拼接。该方法可将现场的施工周期从传统的7-8年压缩至5-6年，大大降低施工成本，提升施工效率。

考虑同厂址建设多台核电机组，多机组共用部分辅助子项，例如三废系统所在的三废厂房、放射性机修厂房等，多机组共摊建设成本，减少单台机组造价。

以下参考优化建议（4）、（5）提出快堆超压保护系统设计中的不足和优化建议。

4 超压保护系统优化

4.1超压保护系统设计简介

超压保护系统的主要功能是保护反应堆主容器/保护容器，避免主容器/保护容器的气体超压，防止其压力边界受到可能的破坏，从而保证反应堆的安全。系统同时配备了补偿容器，以补偿反应堆在各个过渡工况时主容器内覆盖气体由于冷却剂体积变化和覆盖气体温度变化而引起的压力变化。

液封器是超压保护系统的关键设备，超压保护系统的功能通过液封器来实现。液封器是液体（有机硅油）静力型的非能动保护装置，当堆容器中的气体压力超过容许值时，液封器打开，气体经液封器排放到包容小室或包容罐中，使堆容器内气体压力降低，降低到液封器关闭时的压力值以后，液封器则关闭，进而将堆容器气腔与外界隔开。

充填箱和接收小车为超压保护系统内的辅助设备，承担着在系统运行之前及硅油更换期间向主容器及保护容器液封器注入、接收有机硅油的作用。

超压保护系统可细分为反应堆主容器超压保护系统和反应堆保护容器超压保护系统两个系统，两系统共用充填箱和接收小车。

以下为反应堆主容器超压保护系统的介质主流向示意图及反应堆保护容器超压保护系统介质主流向示意图：

图2 反应堆主容器超压保护系统流程示意图

图3 反应堆保护容器超压保护系统流程示意图

反应堆主容器超压保护系统的主管道工作介质是钠蒸汽、氩气，管道的直径为DN80，材料为316H。反应堆保护容器超压保护系统的主管道工作介质是氩气，管道的直径为DN80，材料为316H。

为方便现场运行人员操作并尽可能靠近堆容器，系统的其余设备都布置在同一工艺间内，工艺间净尺寸为3.5m*3.8m*14.7m；液封器为细长型设备（主容器液封器净高7.7米，保护容器液封器净高5.8米，），需从工艺间顶部吊装引入，为预留液封器的设备安装引入路径，本系统的工艺间高度需跨过两层楼板，因此超压保护系统的工艺间高度相较于其他工艺间更高。

4.2 超压保护系统优化

4.2.1 超压保护系统设计的不足

由于液封器的工作原理是“U型管”原理，依靠鼓泡管/回流管和设备筒体之间的液位差表征液封器进气口和排气口的压差，因此，液封器是一台细长型设备，设备布置时占用厂房高度较大，且液封器引入时需在设备顶部预留与设备高度相同的安装空间，该空间在反应堆运行时无其他用途，此设计直接导致系统工艺间远高于其他一般工艺间，大大增加了工艺间造价。

液封器工作时需要充注有机硅油作为工作介质，因此系统配备了有机硅油的充排设备。当硅油需要更换时，现场操作员需进行反复的充排油操作以更换硅油，同时保证液封器的动作压力，这大大增加了系统的运行维护成本。

系统实际运行中，堆容器中的高温氩气经在到达液封器时已为常温气体，液封器后的管道介质为常温气体，而316H材料常用于耐高温环境中，该材料目前的使用条件与材料的耐温性能不符，也增加了系统大宗材料的造价。

4.2.2超压保护系统的优化建议

液封器在超压保护系统中的功能相当于安全阀，即堆容器超压时通过液封器进行泄压。因此，可考虑使用安全阀代替液封器，二者均可以实现额定工况下零泄漏率且超压工况下排气的功能。经调研，目前市场上已有起跳压力、工作温度、工作压力等参数满足设计要求的阀门，进一步对安全阀的启闭压差进行试验验证，并依据试验结果进行调整，以满足设备设计要求。当使用安全阀代替液封器时，充填箱、接收小车及其相连接的管道阀门均可一并取消。该优化可降低系统的设备购置费，并节省设备布置空间，进而减小工艺间体积，降低系统的土建费用。

应依据管道的工作温度和工作介质选择最合适的管道材料。以反应堆主容器超压保护系统为例，对于工作介质为氩气、钠蒸汽，工作温度最高为450℃的管道，材料可选择316H，对于工作介质为氩气，工作温度为常温的管道，材料可选择304。该优化可降低系统的大宗材料费用。

5 总结

本文借鉴俄罗斯BN-1200先进的设计优化经验，从主系统热功率、环路配置、主设备数量、辅助系统设计、厂房设计等角度提出了快堆系统的优化建议，以期进一步提高机组的经济性，并将部分优化建议应用于快堆超压保护系统，提出了超压保护系统的优化方向，为其他系统的优化提供了参考。

参考文献

[1] 杨红义,周培德,王明政,刘一哲,杨勇,颜寒,阿热爱·努尔兰.钠冷快堆技术发展综述[J].原子能科学技术,2025,59(9):2153-2166.

[2] 核技术论坛.俄罗斯 BN-1200 钠冷快中子反应堆[EB/OL].[2026-03-20].https://mp.weixin.qq.com/s/M8g_7lE-Qv83-aGwlr6sWw

A.Y. SMELOV. OPTIMIZATION OF PROJECT «BN-1200M POWER UNIT»[C].International Conference on Fast Reactors and Related Fuel Cycles (FR26),2026.