液态燃料钍基熔盐实验堆主体装置厂房总体布置研究_贝晨.pdf

文章编号：0258-0926(2023)02-0210-06;DOI:10.13832/j.jnpe.2023.02.0210液态燃料钍基熔盐实验堆主体装置厂房总体布置研究贝晨，贾小攀，薛静，王振中中国核电工程有限公司，北京，100840摘要：为实现 2 MW 液态燃料钍基熔盐实验堆（TMSR）主体装置厂房的合理紧凑型总体布置设计，本研究根据熔盐堆堆型特征、顶层设计和系统功能需求，确定了主体装置厂房总体设计特征，探讨了 TMSR关键设备及物项的相对位置特点；同时通过合理规划厂房功能分区和设备布置，最终得到了该厂房的总体布置方案。通过本项目的实施，为实现 TMSR 的系统集成以及验证提供了基础平台，为小型模块化钍基熔盐示范堆的设计和建设提供技术支持及经验。关键词：钍基熔盐实验堆（TMSR）；主体装置厂房；总体布置中图分类号：TL48文献标志码：AStudy on General Layout of Main Plant Building of Thorium-Based Molten Salt Experimental Reactor with Liquid FuelBei Chen,Jia Xiaopan,Xue Jing,Wang ZhenzhongChina Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.,Beijing,100840,ChinaAbstract:In order to realize the reasonable and compact general layout of the main plantbuilding for 2 MW thorium based molten salt experimental reactor(TMSR)with liquid fuel,theoverall design characteristics of the main plant building are determined in this paper according tothe type characteristics,top-level design and system functional requirements of the molten saltreactor,and the relative position characteristics of the key equipment and items of TMSR arediscussed.Besides,the general layout scheme of the plant is finally obtained through reasonableplanning of the functional zoning and equipment layout of the plant.Through the implementation ofthis project,it provides a basic platform for the system integration and verification of TMSR andprovides technical support and experience for the design and construction of small modular thorium-based molten salt demonstration reactor.Key words:Thorium-based molten salt experimental reactor(TMSR),Main plant building,General layout 0 引言钍基熔盐堆核能系统是以钍作为核燃料、以复合型氟化盐作为冷却剂的第四代先进反应堆核能系统。钍基熔盐实验堆（TMSR）具有固有安全性、防核扩散、常压工作、高温输出、无水冷却和高效利用钍基核燃料等特点1-2，是解决我国能源自主供应、减少温室气体排放等重大战略需求的一个技术方案，可以为“一带一路”战略的实施提供技术支撑3。熔盐堆是 1947 年由美国橡树岭国家实验室 收稿日期：2022-04-01；修回日期：2022-12-23作者简介：贝晨（1991），男，工程师，现主要从事核岛总体布置方面的研究，E-mail: 第 44 卷第 2 期核 动 力 工 程Vol.44 No.22 0 2 3 年 4 月Nuclear Power EngineeringApr.2023（ORNL）提出，并于 1954 年建成世界上第一座熔盐堆 ARE4-5，其热功率为 2.5 MW。之后，ORNL 对于熔盐堆的各种相关材料、设备等进行了大量系统性的研究，并于 1965 年建成了以民用核动力为目标的熔盐实验堆 MSRE6，其热功率为 7.5 MW，并成功运行了 4 a，表明熔盐堆具有非常独特而优异的民用动力堆性能。20 世纪 70 年代初我国开展了“728 工程”TMSR 的研发，但由于各种客观条件，研发停滞不前。我国在 2011 年启动了 TMSR 项目，研究目标是发展钍基熔盐堆技术7。本文对液态燃料 TMSR 主体装置厂房的总体布置进行了研究分析。1 总体布置技术思路 1.1 总体目标充分利用我国自主设计建造的核电厂成熟技术，以中科院研发的钍基熔盐堆核能系统为基础，研究开发满足 2 MW 液态燃料 TMSR 总体要求、占地面积小、拥有自主知识产权的 TMSR 主体装置厂房。尽量减小主体装置厂房的规模，降低工程造价。1.2 TMSR 特征（1）液态燃料熔盐堆具有良好的固有安全性，如若发生破口事故，熔盐在环境温度下会迅速凝固，防止事故进一步扩展。（2）在近常压条件下运行。（3）具有无水冷却特性，适用于干旱地区。（4）可实现核废物最小化和燃料增殖。1.3 设计特征（1）2 MW 液态燃料 TMSR 属于类研究堆，研究分析为主要目的，不用于发电，二回路产生的热量直接排至空气中，未设置常规岛。（2）主体装置厂房的结构设计使用年限为50 a，按抗震设防烈度 7 度加 1 度设计，采用框架剪力墙结构。（3）熔盐在近常压环境下运行，可避免管道高压爆炸，降低了管道的承压要求，无需设置类似压水堆的安全壳。（4）除反应堆系统外，其余的系统、设备与构筑物均为非安全级。2 总体布置方案研究 2.1 厂房主要物项主体装置厂房的主要功能是制备钍基熔盐堆中的燃料盐，完成一、二回路系统的循环，并对辐照后的燃料盐进行分析，与现有核电厂的核岛厂房功能相近。主体装置厂房内的物项主要包括：堆本体、反应堆冷却剂系统、二回路系统、熔盐制备系统、干法热处理系统、电气系统、仪控系统、气体系统、除盐水制备及分配系统、厂房通风及空调系统、工艺冷却水系统、空调冷冻水系统、通信系统以及辐射监测系统。2.2 主要物项布置要求液态燃料 TMSR 主体装置厂房总体布置设计需综合考虑主工艺、建筑、通风、电气、仪控、辐射防护等专业要求，随研发的进程，不断更新迭代和优化改进。基于核电厂设计经验，将主体装置厂房分为控制区和监督区。对主体装置厂房的划分如表 1 所示。表 1 主体装置厂房划分Tab.1 Division of the Main Plant Building分区类型控制区堆芯区，热室，一、二回路辅助区，熔盐制备区监督区电气区、仪控区、通风区和水系统区 2.2.1 控制区主要物项的布置要求（1）堆芯和热室为整个厂房的功能核心，整个厂房以这 2 个物项为中心布置，在堆芯区辐照后的燃料需要运输到热室，2 个物项需要就近布置。（2）二回路设备间用于存放二回路系统的设备，需靠近堆芯区布置。（3）一、二回路真空系统用于燃料盐的冲排，依靠气压装卸燃料盐，分别服务于一、二回路，需就近布置。（4）监测间、尾气处理间、清洗间、检修间、中子能谱测量间服务于堆本体，以上物项需布置在堆大厅的四周。（5）排气单元、试剂间和氩气循环与冷却系统服务于热室，以上物项需靠近热室布置。根据工艺需求以及氩气的特性，氩气循环与冷却系统需布置在热室下方。（6）在堆芯区和热室中产生的固体废物需先贝晨等：液态燃料钍基熔盐实验堆主体装置厂房总体布置研究211 在固废暂存间储存，然后再运到转运间，最后通过转运车运输到放射性废物厂房。堆芯区、热室、固废暂存间以及通道的布置需便于废物的运输；固废暂存间需靠近转运间，转运间需靠近室外，并布置在0.00 m 层。（7）分析间用于分析制备完成的燃料盐，本地机柜间用于控制燃料盐制备反应，添加盐主反应间内利用四氟化铀（UF4）储存间中的原料制备添加盐，以上物项需靠近布置，并综合考虑工艺流程以及添加盐的运输路径。2.2.2 监督区主要物项布置要求（1）高压线从0.00 m 进入厂房，变配电间布置在0.00 m 较为合理。（2）为满足柴油发电机的取风和排风需求，柴油发电机间需要至少两面墙朝外，进而可以确定柴油发电机间的大致位置。（3）电气机房空调机组间、主控室空调机组间、蓄电池排风机房分别服务于不间断电源（UPS）间和变配电间、主控室、蓄电池间，以上物项分别需要就近布置。（4）当反应堆运行中出现异常或瞬态事件时，保护系统触发停堆，以实现对堆芯和冷却剂系统的保护。保护系统房间靠近堆大厅、仪控间和主控室布置较为合理。（5）设备冷却水泵间和冷冻水泵间需从除盐水设备间取水，就近布置较为合理。（6）根据设备高度、风管尺寸、电缆桥架层数、工艺管道直径以及梁高估算厂房每层的净空。主要物项布置关系如图 1 所示。图 1 主要物项布置关系Fig.1 Layout Relationship of Main Items 2.3 设计方案研究 2.3.1 布置方案一根据 2.2 节分析得到的厂房内各物项的布置要求以及设备尺寸等信息，完成了第一版主体装置厂房的布置方案（方案一），其中0.00 m层的布置方案如图 2 所示，图中紫色为监督区工艺间，绿色、橙色和红色为控制区工艺间。此方案中，整个厂房以热室为中心，堆芯区布置在热室东侧，在堆芯区辐照后的燃料沿6.00 m 层的运输通道从堆舱运输到热室底部，然后提升到热室中。控制区辅助工艺间主要布置在热室和堆芯北侧，监督区的各工艺间围绕控制区布置在最外侧。图 2 主体装置厂房布置方案一Fig.2 Layout Scheme I of the Main Plant Building 从图 2 可看出，堆本体和热室是整个厂房的核心部分，这 2 部分占地面积较大；堆本体和热室的相对位置对整个厂房的布置和面积有很大的影响。对热室和堆大厅布置空间需求进行了更详细地分析，结果如下：（1）由于热室检修区和堆大厅为橙色区，根据辐射监测要求，需要设置人员出入口，并布置干净气衣室、脏气衣室以及手脚污染监测仪。（2）根据热室机械手的安装与检修要求，机械手操作区的径向空间至少需要 4 m；由于热室后墙设有固废转运接口，用于转运中水平放射性固体废物，因此固废转运设备操作最少需要 3.4 m的径向空间。2.3.2 布置方案二考虑到热室检修区和堆大厅同为橙色区，并且堆大厅中的物项布置较为稀疏，空间利用率不高。对方案一进行了较大的改动，形成方案二的布置图，其中0.00 m 层的布置方案如图 3 所示。方案二与方案一最大的区别212核 动 力 工 程Vol.44 No.2 2023 为将热室布置在堆大厅周围，热室的检修区与堆大厅共用。图 3 主体装置厂房布置方案二Fig.3 Layout Scheme II of the Main Plant Building 与方案一相比，方案二的优点如下：（1）减少了热室检修区的面积。（2）堆大厅和热室检修区上空的吊车可以共用，从而减少 1 台吊车。（3）热室检修间和堆大厅的人员出入口合并，设置一套干净气衣室、脏气衣室和手脚污染监测仪，减少了一个人员出入口。（4）由于热室布置在堆大厅旁边，堆舱内辐照后的燃料盐可直接通过吊运的方式从堆舱输运到热室中，省去了地下运输通道。（5）在热室的橙区检修间需设置楼梯通往地下运输通道和氩气循环冷却间，堆大厅内需设置楼梯通往6.00 m 层。仅在堆大厅内布置一部楼梯。（6）热室和堆芯同为红区，此方案实现了高放区集中布置。对于布置方案二，经辐射防护专业核实，工艺间的辐射分区合理；经过分析，热室和堆芯两物项在事故状态下不会发生相互干扰和影响；通过调整工艺间的位置，两物项的检修操作空间互不干涉，吊车服务范围也满足要求；通风管道的布置不受影响。表明该布置方案可行。方案二将监督区物项布置在西侧，控制区物项布置在东侧。整个厂房利用 4 条通道来满足人员通行和设备运输的需求，包括 1 条贯穿东西方向的通道、1 条通往堆大厅的设备通道和 2 条南北方向的通道。比较发现，此方法有利于节省厂房的建筑面积。3 总体布置方案设计 3.1 厂房布置方案方案二的布置更为紧凑合理，在满足系统功能和安全性的前提下，可有效减小主体装置厂房的规模，有利于工程进度及经济性的提升。在方案二的基础上，进一步细化，完成了主体装置厂房的总体布置设计。整个厂房功能分区明确，布局紧凑合理。主体装置厂房的立面如图 4 所示，厂房分为 5 个标高层，各层的布置情况如下：（1）11.506.00 m 层：主要布置了堆舱、堆本体、一、二回路及熔盐泵、换热器、余热排出系统、排放罐、二回路储罐、真空系统以及堆相关的辅助系统的设备和管道等。（2）6.00 m 层：主要布置监测间、尾气处理间、消防设备间、低放废液暂存间、地面排水池子、氩气循环与冷却系统设备间以及泵间。（3）0.00 m 层：主要分为监督区和控制区。控制区主要布置有堆大厅、人员闸门、设备闸门、堆内设备检修间、清洗间、供气间、临堆热室、固废暂存及转运间、添加盐主反应间、分析间以及控制区送风机房等；监督区主要布置变配电间、蓄电池间、除盐水制备间、UPS 间、冷冻水泵间、柴油发电机间、压缩空气间以及卫生出入口等。（4）+5.00 m 层：主要分为监督区和控制区。控制区主要布置有加料间、烟囱流出物监测间、整个厂房的排风机房以及热室的试剂间；监督区主要布置主控室和电气房间空调机组、保护系统房间、仪控间、蓄电池排风机房以及卫生出入口的送排风机房。（5）+10.00 m 层：主要为监督区，布置有主控室、辐射监测办公室、通信用房、排烟机房、卫生间。3.2 人员通道工作人员可直接进入监督区，监督区设有 2个楼梯间，用于工作人员的正常通行和紧急疏散。工作人员通过卫生出入口进入控制区，堆大厅内设有一部楼梯，大厅外设有 2 个楼梯间，分别用于工作人员的正常通行和紧急疏散。在0.00 m 层有直接通往厂房外的人员应急逃生门。人员通行路径如图 5 所示，其中蓝色箭头代贝晨等：液态燃料钍基熔盐实验堆主体装置厂房总体布置研究213 表工作人员进入监督区的通行路径，红色箭头代表工作人员进入控制区的通行路径。图 5 人员通行路径图Fig.5 Personnel Access Path 3.3 吊装运输方案厂房内主要设备除部分液体储罐和大尺寸设备需预先引入，其他设备的引入主要通过设备运输通道、设备闸门进入厂房，再通过厂房内主要通道、门洞、吊装孔洞进入相应工艺间。设备运输路径如图 6 所示。在大厅上部设置有 50 t/5 t 双轨吊车，用于一、二回路设备和热室屏蔽铁板在安装和运行维护期间的吊运，以及装有乏燃料盐的转运箱的吊运（图 6 中间红框区域）。在添加盐主反应间和储存间各布置 1 台 3.2 t双轨吊车，用于储罐和转运罐的吊运（图 6 南侧 2 个红框区域）。在+5.00 m 层布置 1 台 5 t 双轨吊车，用于+5.00 m 层控制区设备、6.00 m 层辅助区设备的吊装以及固体废物的装载（图 6 东侧红框区域）。图 6 设备运输路径图Fig.6 Equipment Transportation Path 4 结论（1）本研究基于我国核电设计建造经验，根据熔盐堆堆型特征、顶层设计和系统功能需求，确定了主体装置厂房总体设计特征，并对厂房内各物项的功能和特点进行了分析，得到了熔盐堆关键设备及物项的相对位置关系和特点。（2）提出了热室检修区和堆大厅共用的布置方案，并在此方案的基础上结合设计经验合理规划厂房功能分区、设备布置及厂房通道，最终得 图 4 主体装置厂房立面图Fig.4 Elevation View of the Main Plant Building214核 动 力 工 程Vol.44 No.2 2023 到了该厂房的总体布置方案。（3）本主体装置厂房的总体设计实现了钍基熔盐堆各系统的相关功能，满足了厂房的相关安全要求，为小型模块化钍基熔盐示范堆在设计和建设过程中如何合理地平衡安全性与经济性提供经验。参考文献：United States Department of Energy.A technologyroadmap for generation nuclear energy systems:GIF-002-00R.U.S.:United States Department of Energy,2002.1LEBLANC D.Molten salt reactors:a new beginning foran old ideaJ.Nuclear Engineering and Design,2010,240(6):1644-1656.2蔡翔舟，戴志敏，徐洪杰.钍基熔盐堆核能系统J.物理，2016,45(9):578-590.3BETTIS E S,COTTRELL W B,MANN E R,et al.Theaircraft reactor experiment-operationJ.Nuclear Scienceand Engineering,1957,2(6):841-853.4ROSENTHAL M W,KASTEN P R,BRIGGS R B.Molten-salt reactors History,status,and potentialJ.Nuclear Applications and Technology,1970,8(2):107-117.5HAUBENREICH P N,ENGEL J R.Experience with themolten-salt reactor experimentJ.Nuclear Applicationsand Technology,1970,8(2):118-136.6江绵恒，徐洪杰，戴志敏.未来先进核裂变能TMSR核能系统J.中国科学院院刊，2012,27(3):366-374.7（责任编辑：刘君）贝晨等：液态燃料钍基熔盐实验堆主体装置厂房总体布置研究215