俄罗斯RITM-200N反应堆设计优点

海上反应堆的优点，如紧凑性、机动性、抗外部干扰性和固有安全特性，基于该设计原则的核电站将会有更高的竞争力。Rosatom海上反应堆的陆基版本RITM-200N，就是在实现所有这些目标。

1、SMR不断发展

小型模块化反应堆(SMR)是新一代反应堆，设计用于发电，功率通常从20 MWe到300 MWe，其部件和系统可以在车间制造，然后作为模块运输到现场进行安装。

大多数SMR设计具有先进的安全功能，可作为单个或多模块工厂部署。

SMR设计的特点是更高的模块化、简化和工厂化施工，最大限度地降低了施工和安装成本以及工期时间。

现场工作量减少和部署时间的缩短，带来的经济收益是其快速发展的重要因素。

SMR不断发展的关键驱动力是更广泛的发电应用、增强安全性能，以及与大型反应堆相比提供更好经济负担能力。

近期部署的SMR，将具有与先进反应堆设计相当或更好的安全性能。

2、俄罗斯破冰船用反应堆

基于压水反应堆设计的现代俄罗斯SMR主要用于核能运输行业，目前俄罗斯正在运行的最新船用反应堆是RITM-200，这是一种为通用核能破冰船项目22220开发的进化型压水反应堆，基于运行了400多反应堆年的破冰船设计和运行经验，性能十分稳定。

目前已有八个RITM-200反应堆安装在破冰船上——“Arktika”、“Sibir”、“Ural”和“Yakutia”号破冰船。

俄罗斯的SMR型RITM堆融合了其前身的所有最佳功能，即前几代俄罗斯核能破冰船使用的OK-150、OK-900、KLT40系列反应堆和已经运行了20多年的货船“Sevmorput”。

目前俄罗斯正在对该设计进行修改，将这种堆型推广到陆地使用。

3、开发陆基反应堆设计

Rosatom的RITM-200N是海上反应堆的陆基版本(图源：Rosatom)

RITM-200N是三代+SMR的最新设计发展，基于海上应用的船用压水堆(PWR)技术，由RITM型核电站开发而成。

RITM-200N的设计提高了安全性、灵活性和低碳足迹。在经济参数上，也可以与其他小容量反应堆相媲美。

与大型PWR相比，RITM-200具有许多优点，如更高的固有安全性、更低的大规模放射性释放频率、更长的事故后自主性(无需操作员干预)、更小的环境影响、更低的现场限制、更短的施工期和更小的融资要求，以及更低的财务风险。

该反应堆的主要特点是：使用船用反应堆的参考技术、紧凑的一次回路系统、模块化设计和制造、冗余和多样化的安全特性——包括主动和被动安全特性——这确保了反应堆堆芯安全和极低的大量放射性释放风险。

海上核能设计的优势适用于SMR部署场景(图源：Rosatom)

一次回路的各项设计数据，主要引用来自海上核能工业中实施的经验证的技术解决方案(NSSS设备及其组件，包括气体加压系统)，以确保反应堆厂房的高可靠性。

主要设备整体布局的选择、安全系统和对安全重要的正常操作系统的组成和结构，使反应堆厂房的安全水平有可能显著提高。

对于集成反应堆的设计解决方案，也经过了计算、分析和实验设计验证，而反应堆的单个结构部件，如盖子和管道，都经过了验证。

RITM-200N反应堆装置的堆芯与目前用于RITM-200和KLT-40S破冰船堆芯类似。

反应堆的主要设备(反应堆冷却剂泵、蒸汽发生器、控制系统驱动器)，包括RITM-200N中采用的反应堆和工艺解决方案，已在多年的运行过程中进行了测试，并确保了所需的可靠性和安全特性。

通过工艺冷凝器的冷却系统，和其他对反应堆厂房安全重要的系统主要采用传统设计，并已在核破冰船的实际操作条件下进行了测试。

一回路采用了自维持的氨水化学制度和带离子交换过滤器的清洁系统，这些系统已用于破冰船多年，技术可靠。

二次回路和中间冷却回路的水化学规定，是根据运输航运行业多年的运营经验制定的。

反应堆厂房维护的技术操作，在许多方面都是沿用传统技术要求。堆芯换料和更换蒸汽发生器暗盒的操作(由于反应堆的集成设计)与RITM-200破冰船中执行的操作类似。

反应堆厂房、反应堆附属厂房和特殊建筑，包括新燃料厂房，也由整体式无预应力钢筋混凝土制成，以及满足可靠性、耐久性、强度和稳定性要求并保持几何结构不变的涡轮机厂房中的钢结构。

4、反应堆主要特性

左上：显示RITM-200N反应堆集成设计的图形。右上：RITM-200N工厂图显示在钢制安全壳中。

RITM-200反应堆的整体配置，其中蒸汽发生器放置在反应堆压力容器内，使反应堆系统和安全壳与KLT-40S相比更加紧凑。

与KLT-40S设计相比，RITM-200反应堆设计还允许电力输出增加40%，尺寸减少45%，重量减少35%。

RITM-200N核电站的整体设计设想在单个容器内使用堆芯和蒸汽发生器(SG)。如下图(右)所示，反应堆冷却剂泵(RCP)直接焊接在反应堆压力容器(RPV)上，不包括反应堆冷却剂系统(RCS)中的任何管道。

这种方法设计，是想通过排除RCS内的任何冷却剂损失事故(LOCA)情况，显著提高了安全性。

一回路包括整体式反应器、加压系统以及净化和冷却系统。

RITM-200N反应堆冷却剂系统基于一回路的强制循环，该回路分为四个回路，反应堆冷却剂泵(RCP)安装在每个回路的冷段中。

每个回路由三个带独立给水歧管和一个公共蒸汽歧管的暗盒(共十二个)组成。暗盒的配置使其能够安装在反应堆容器内，以实现紧凑的设计。提供传感器以监测堆芯入口处、堆芯出口处和燃料组件出口处的冷却剂温度。

RITM-200反应堆压力容器(图片：Rosatom)

RITM-200反应堆堆芯由低浓缩(低于20%)燃料组件组成，类似于KLT-40S中使用的燃料组件，因此符合国际防扩散要求。

金属陶瓷燃料由嵌入铝硅合金(硅铝)中的二氧化铀(UO2)陶瓷燃料颗粒组成。与KLT-40S相比，该堆芯的换料周期更长。

提高RITM-200N燃料可靠性的主要设计特点如下：

高热导率降低了燃料柱内部的温度，并降低了破裂的可能性。金属陶瓷燃料在堆芯中的长停留期内也更耐膨胀。

燃料棒包壳由耐腐蚀合金制成。在长燃料循环过程中，与锆相比，它更耐腐蚀。在俄罗斯，新型核破冰船和快堆的堆芯也使用了同样的覆层合金。

对于堆芯反应性补偿，控制棒基于机电反应性控制系统，并使用非均质可燃毒物。在负荷跟随操作期间，典型的可溶性硼毒物不用于堆芯反应性控制和补偿，因此，液体放射性废物的产生受到限制。

RITM-200N设计中，设想了两个用于反应性控制的独立机电系统，这两个系统基于不同的操作原理。快速动作应急保护(EP)系统确保吸收棒(AR)通过弹簧作用(驱动器在断电时从电磁铁中释放)注入堆芯，并通过补偿栅(CG)的AR补偿反应性。CG的插入是由重力驱动的。一个机电控制系统包括六个用于EP的带AR的驱动器和十二个用于CG的带有AR的驱动器。机电系统在正常运行期间执行控制功能，并通过发出紧急信号使反应堆跳闸来执行保护安全功能。

反应堆被放置在不泄漏的钢外壳(主安全壳)中，以定位任何可能的放射性释放。

它的设计内部压力高达0.9 MPa(绝对压力)。RITM-200N的钢外壳尺寸为Φ8.7m×21m。

反应堆厂房的这种防漏钢外壳是一个圆柱形保护壳，底部为椭圆形，上部为颈部，与椭圆形盖子可拆卸连接。

钢外壳的内部容积用生物防护块分为两个房间：设备室和反应堆室。

主要容积由设备室占据，设备室下方为生物防护块下方的反应器室。将其划分为两个独立的密封室，可以进行维修或更换设备。

反应堆容器、一次回路系统设备和干式生物保护装置的支撑基础结构为金属水屏蔽箱，其中包含容纳整体反应堆、稳压器系统设备以及净化和冷却系统设备的沉箱。

在设备间的上部，热交换器、风机和管道等排热系统设备位于设备间的上方。从卫生出入控制室进入设备室。设备室也有舱口，用于使用潜望镜和检修孔检查反应堆室。

5、设计中的安全

破冰船的RITM-200反应堆(图片：Rosatom)

RITM-200反应堆的安全设计理念，基于通过实施以下原则实现更高的可靠性：

纵深防御;

固有的自我保护;

冗余和多样性;

物理分离和独立;

外部事件防护;

消除共因故障;

已验证功能的结合。

“纵深防御”原则是RITM-200采用的安全原则的基石，实施了多个级别的保护，包括防止放射性物质释放到环境中的连续屏障。

这一原则适用于三个基本的安全功能——反应性控制、燃料冷却和限制放射性物质，目的是确保对人口、人员和环境的保护。这包括事故预防和事故缓解。

该原则要求更广泛地考虑多次故障的可能性，并使用多样化的手段来实现上述三个基本安全功能。

反应堆的固有安全特性，旨在限制能量释放、压力和温度的上升、加热速率和燃料损坏的程度。

它们还防止了始发事件和事故条件的发展，在没有操作员长期参与的情况下限制了其后果。

设计中包含的固有安全特性如下：

限制功率上升的燃料和冷却剂反应性的负温度系数;

消除热点的高导热性燃料成分;

主电路的高热容量，增加了安全系统响应的可用时间;

一体化反应堆配置，几乎消除了大量冷却剂断裂损失事故。

设计中充分结合了冗余和多样性。安全系统采用了空间分离，而电源、控制、冷却等支持功能尽可能独立。

特别强调了电力供应的冗余性和多样性。安全结构也考虑了外部事件，如可能的飞机坠毁、地震事件、洪水、龙卷风或火灾。

被动和主动安全系统的结合，确保了在广泛的假设事故场景中具有更高的安全水平。

RITM-200N包括以下安全系统，以减轻设计基准事故：

对于反应堆的紧急停堆，并将其保持在亚临界状态，设计设想了两个独立的机电停堆系统——主动和被动。

通过净化和冷却回路的热交换器(通过安全系统的中间回路和安全系统的工艺用水，以及被动除热系统(PHRS))，利用主动系统从一回路完整的反应堆中进行除热。

在冷却剂丧失事故(LOCA)的情况下，通过主动安全注射系统进行反应堆的排热;通过过程冷凝器的主动冷却系统，以及被动加压液压蓄能器和被动除热系统(PHRS)。

通过乏燃料池的主动冷却系统确保乏燃料池中的热量排出。

借助反应堆的钢外壳、反应堆厂房的密闭安全壳和非能动自动催化复合器(PAR)，裂变产物的释放保持在既定的限制范围内。

以下安全系统旨在缓解超出设计基准的事故(设计扩展条件)：

液态硼注入系统(主动);

堆芯熔体的容器内滞留系统;

被动除热系统(PHRS);

反应堆的钢外壳(被动);

反应堆厂房的密闭安全壳(被动);

被动自动催化复合器(PAR);

应急电源系统(移动式柴油发电机)。

6、反应堆厂房

中国昌江SMR反应堆厂房(图片：CNNC)

SMR核电站的主要组成部分是反应堆厂房，反应堆及其主要系统位于反应堆厂房内。

反应堆厂房为框架式，由尺寸为36×36 m的整体式钢筋混凝土制成，有四层地上和四层地下。

地板和拱形覆盖物也由整体式钢筋混凝土制成。反应堆厂房的操作层高于地面(+9米)。

在安全壳的中心，有一个由钢筋混凝土制成的八角形竖井，宽12m，高20m，竖井底部标高为-11.2m。

竖井的墙壁以及其他包含辐射源的房间，由密度为4.2t/m3的混凝土制成，为人员提供电离辐射的生物保护。

汽轮机为单轴设计，由高压和低压转子组成。

耦合式三相同步发电机采用风冷方式，额定功率为55MW，转速为3000rpm，发电机端子电压为10.5kV。

蒸汽轮机机组和整套涡轮发电机组均位于涡轮机厂房内。

来自蒸汽发生元件(管道)的过热蒸汽进入涡轮机的高压和低压段，排气蒸汽在冷凝器中通过冷却水冷凝，冷凝水被引导通过一系列低压加热器，在低压加热器中，冷凝水由低压涡轮机抽汽加热。

冷凝水精处理装置在将冷凝水(给水)从除氧器引导至蒸汽发生器之前保持冷凝水的水质。

在除氧器中，氧气和其他气体被去除，给水被抽汽进一步加热至所需参数。

每日功率调节为额定功率输出的30%至100%，电厂能够通过改变给水流速以6%的Nnom/min的速率进行功率调节。

电力疏散在110 kV下进行。电厂内部需求的备用电源，来自正常运行的备用柴油发电机组(DG)、应急电源系统(EPS)的备用DG机组和电池。

在启动期间，模块化DG机组提供100%的负载，而在正常运行期间，核电站自身需要的电源由汽轮发电机提供。

备用和应急柴油发电机处于备用模式，并准备自动启动。

如果汽轮发电机或机组工艺部分发生事故，发电机将关闭，装置的电源由备用柴油站提供。

SMR机组的仪表和控制系统设计用于：

所有重要过程、参数和设备的控制和监测;

保护以及工厂参数的自动调节;

过程和设备的诊断;

在所有操作模式下监测和显示设备参数。

仪表和控制系统是一个多层次、分布式和集成系统，确保了其子系统的结构、功能和界面独立性。

这导致在自动控制系统发生故障的情况下，包括在其层级的各个级别上，保留各个子系统及其元件的功能。

从确保故障时安全的角度来看，控制系统的架构基于纵深防御原则的应用。考虑到常见故障，使用独立自动控制子系统的多级保护，可确保在各种操作模式的整个持续时间内实现每个主要功能。

SMR的自动化仪控是一个统一的系统，包括技术、数学、计量、组织和信息支持，以及操作和设计文件。

它包括执行整个监测、控制和管理操作的技术手段，包括信息的收集、处理、传输和分发，以及控制行动的形成和实施。此外，自动化仪控系统考虑最大限度地使用基于故障保护电路的统一硬件和软件，并包含内置的监测和测试工具。

自动化仪控系统还符合国际标准的协议和较低级别软件和硬件的模块化结构，有助于在其层级的各个层面进一步现代化和扩展。

7、RITM-200N的运行与建设

第一个RITM-200N将部署在雅库特，调试计划于2028年进行。(图源：Rosatom)

反应堆的正常运行，是在额定功率的30-100%范围内的静止模式和功率操纵模式下进行，这两种模式提供了使用设备自动调节电网频率的能力。

这包括正常和一般的一次调节、根据调度员命令进行的功率调节，以及按每日或每周时间表进行的操作。

堆芯组件的换料每六年进行一次。

换料前，拆除控制棒驱动器、反应堆盖、管道和装置块。将管道和装置块从反应器中移除，并放置在为此目的设计的储存和检查井中。

轴的内表面有防腐涂层，可以进行去污处理。管道和装置块存放在水下。使用换料综合设施内的保护容器，将管道和装置块从反应堆运输到储存井并运回。

在卸载乏燃料组件之后，起重机将用于新燃料组件的容器安装，安装在反应堆上用于装载燃料组件的装置上，之后将组件装载到反应堆中。

装载燃料组件后，重新安装管道和装置块以及反应堆盖。反应堆盖被密封，之后安装控制棒驱动器。

在换料过程中，将整个堆芯从反应堆中卸下。

乏燃料组件储存在乏燃料池或储罐中长达三年，以减少衰变热和放射性。停留期结束后，将乏燃料组件装载到运输容器中，并可将其移至储存地点。

世界上第一个基于RITM-200N反应堆工厂的试点发电厂正在俄罗斯设计建造，并已获得政府批准。

2020年2月11日，俄罗斯国家原子能机构(Rosatom)签署了一项命令，开始实施SMR试点工厂。

已经制定了反应堆厂房、堆芯和核燃料处理设备的技术设计，并编制了该项目的安全分析报告。

2023年4月，Rosenergoatom获得了联邦环境、技术和核管理监督局(Rostekhnadzor)颁发的许可证，将SMR选址在Ust-Yansky地区，并将在雅库特Ust-Yansky-ulus的Ust-Kuiga村附近建造RITM-200N试点。调试计划于2028年进行。

根据KLT-40S反应堆在浮动装置“罗蒙诺索夫号”设计和运行中获得的经验，已经证明了使用基于船用反应堆技术的SMR为偏远地区供电的可能性和前景。

设计和运行经验表明，RITM型反应堆装置能够通过经验证的技术解决方案，提供技术和经济可行性。

同时，这些核电站的安全性已经通过前几代船用核反应堆技术多年的成功运行，得到了根本的可靠性证明。