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user: 3. 浮动式压水堆安全注射系统调研 3.1. 西德NCS-80号核商船安全注射系统设计方案分析 NCS-80是西德的80，000马力核动力集装箱船，采用先进的一体化压水堆作为主推进装置，反应堆热功率为220 MW。在失水事故下热量导出主要由压力释放系统、应急注射系统和安全壳外热量导出系统组成。应急注射系统和热量导出系统共有4套(见图2)。它们是各自独立的，并具有独立的电力供应。每个注射系统的额定注射流量为48 kg/s (7.2 MPa压头)。这些系统设计方案均考虑了多样性、多重性和单一故障原则 [ 3 ] 。 3.2. 日本“陆奥”号安全注射系统设计方案分析 “陆奥”号是日本首座核动力商船，反应堆热功率为36 MWt，采用两环路回路型压水堆核动力装置。其应急堆芯冷却系统包括应急堆芯注水系统及安全壳喷淋系统(见图3)。其安全注射系统主要由补水泵、应急衰变热除去泵、应急堆芯注水泵等设备组成，采用的是能动注射措施，确保堆芯的安全 [ 4 ] ，应急堆芯冷却系统具体组成见表1所示。 安全注射系统分为高压安全注射分系统和中、低压安全注射系统两个主要部分，如图4所示。其中，高压安全注射分系统的功能由补水泵来完成，当发生小破口失水事故时，稳压器水位和压力缓慢降低，一旦低于规定值，则启动补水泵将来自补水系统的补水注入反应堆冷却剂系统。此时是在反应堆冷却剂系统高压下注水，因此为高压安注阶段。 中、低压安全注射系统由应急注水箱和应急衰变热除去泵、一次屏蔽水箱和应急堆芯注水泵、疏水泵(或排污泵)和热交换器以及各自相应的管道、阀门三大部分组成。在发生中破口或大破口失水事故时 [ 5 ] ，冷却剂外泄速度较快，稳压器的水位和压力迅速降低，此时投入高压安全注射系统进行注水已经无法补偿冷却剂的泄漏，则启动应急衰变热除去泵将应急注水箱的水注入反应堆冷却剂系统。如果压力降低很快，低于低压安全注射压力整定值时，则应急堆芯注水泵启动，将屏蔽水箱的水注入反应堆冷却剂系统。 图1. 世界浮动式压水堆核商船发展情况 图2. NCS-80安全冷却系统原理图 图3. “陆奥”号应急堆芯注射系统原理图 Table 1 Composition of emergency core cooling system on Muts 系统 泵 水箱 名称 规格 应急堆芯注水系统 补水泵 2台活塞式6 m 3 /h；680 m 除气器及蒸馏水箱35 m 3 应急衰变热导出泵 1台活塞式36 m 3 /h；680 m 应急水箱100 m 3 应急堆芯注水泵 2台卧式离心泵100 m 3 /h；45 m 一次屏蔽水箱 安全壳喷淋系统 安全壳喷淋泵 2台卧式离心泵20 m 3 /h；150 m 应急水箱 表1. “陆奥”号应急堆芯冷却系统的组成 图4. 日本“陆奥”号安全注射系统原理图 如果应急注水箱和一次屏蔽水箱的水都已用完，但反应堆还需要进行安全注射时，可启动疏水泵(或排污泵)将堆舱舱底水抽出，经热交换器冷却后注入反应堆冷却剂系统，此时为再循环注射阶段，可以维持长时间 [ 6 ] 。 3.3. 北方航线号原子破冰船安全注射系统设计方案分析 俄罗斯北方航线号原子破冰船的安全系统包括如下系统：反应堆控制和保护系统；余热排出系统；安全注射系统；安全壳抑压系统；安全壳通风系统；安全壳隔离系统及一回路超压保护系统。 当发生小破口失水事故，可通过两台补水泵向反应堆冷却剂系统补水；当发生大破口失水事故，可通过启动两台高压电动泵分别从两台特殊水箱抽取水源，如果任何一台高压电动泵不能投入运行，则立即启动备用高压电动泵，通过独立的管线，向反应堆堆芯注射冷却水；当压力降至3.0 MPa以下时，启动备用给水泵，通过抽取蒸馏水箱中的冷却水进行再淹没；当两台特殊水箱中的水被耗尽后，启动特制疏水泵从鼓泡水箱抽水进行临时堆芯冷却 [ 7 ] 。其原理流程图如图5所示。 3.4. KLT-40S安全注射系统设计方案分析 俄罗斯的“罗蒙诺索夫”号(KLT-40S)采用双堆布置、模块化设计思想，单堆热功率为150 MWt，其主冷却剂系统采用紧凑式布置设计，反应堆、蒸汽发生器及主泵通过短管嘴连接，在设计上消除了大破口事故。在专设安全设施方面，采用了能动和非能动相结合的安全系统配置方案(见图6)。 KLT-40S的安全注射系统主要由能动高压安注系统(补水系统提供)、非能动中压安注系统(安注箱)、能动低压安注系统(低压安注泵和储水箱)等子系统和设备组成 [ 8 ] 。 当反应堆冷却剂系统发生失水事故，反应堆冷却剂系统压力降至安注箱蓄压以下时，安注箱中贮存的冷却水在氮气压力的作用下，自动注入堆芯；当反应堆冷却剂系统压力降至两台低压给水泵启动压力时，同时启动两台给水泵，抽取两台安注储水箱中的水进行注射；当安注储水箱中的水快完时，转入再循环注射阶段，通过两台再循环泵抽取安全壳底部淹没水，经两台再循环冷却器冷却后，实施注射。其原理流程图见图7所示。 3.5. 安全注射系统调研综合分析 表2给出了上述核商船的安全注射系统主要设备和参数配置数据。 从表1和表2数据可得出以下结论： 1) 浮动堆的高压安全注射系统均采用能动注射方式，由于船舶空间限制，一般均采用补水系统的补水泵承担高压安注功能，从而应对小破口失水事故； 2) 浮动堆的中压安全注射系统可以选择性地采用能动或非能动的注射方案，早期的浮动堆均采用能动的中压安注系统(如：NCS-80、陆奥号、北方航线号)，近期的一般多采用非能动的安注箱设计方案以 图5. 北方航线号原子破冰船安全注射系统原理图 图6. KLT-40S专设安全系统配置 图7. KLT-40S安全注射系统原理图 应对中、大破口失水事故，如：KLT-40S； 3) 浮动堆的低压安全注射系统均采用能动注射方式，低压安注泵均采用独立配置方案，并设置大容积的低压安注水箱，同时一次屏蔽水和安全壳地坑过滤水也被作为低压安注的水源，从而应对中大破口失水事故，进行堆芯的短期和长期堆芯冷却。 随着近年来反应堆固有安全设计概念的提出，非能动安全注射系统概念设计陆续被提出，因此，浮动堆采用能动和非能动相结合的安全注射系统设计方案是当前发展的主要趋势 [ 9 ] 。 Table 2 Statistical comparison of safety injection system configuration on foreign merchant ship 名称 西德NCS-80 “陆奥”号 北方航线号原子破冰船 KLT-40S 高压安注 4台应急注射泵； 流量48 kg/s； 压头7.2 MPa 2台活塞式补水泵；流 量6 m 3 /h；水源来自 蒸馏水箱及除气器35 m 3 2台补水泵；流量1.2 m 3 /h； 扬程24.5 MPa；水源来自补水箱 及装有液体吸收剂的水箱 2台应急堆芯注水泵； 水源来自应急堆芯冷却系统 注水箱总容积20 m 3 中压安注 4台应急注射泵 (与高压安注共用)； 流量48 kg/s；压头7.2 MPa 1台活塞式应急衰变热 导出泵；流量36 m 3 /h； 水源来自应急水箱100 m 3 3台高压电动泵(2用1备)； 流量20 m 3 /h；扬程10 MPa； 水源来自2台特殊水箱总容积25 m 3 2台非能动安注箱； 单台水容积为4 m 3 低压安注 4台应急注射泵 (与高压安注共用)； 流量48 kg/s；压头7.2 MPa 2台卧式离心泵，流 量100 m 3 /h；水 源来自一次屏蔽水箱 1台备用给水泵； 流量32 m 3 /h；扬程3.5 MPa； 水源来自蒸馏水箱100 m 3 2台再循环注射泵 表2. 国外主要核商船安全注射系统配置情况统计比较