[浮动式,核电站,载体]浮动式核电站载体初步技术方案研究

浮动式核电站载体初步技术方案研究

【摘要】本文根据浮动式核电站的主要功能、使用要求及其外部环境条件，分析确定了浮动式核电站的载体型式。以模块式小型堆ACP100S为对象，对载体主尺度、总布置、主要性能、结构的各个方面进行了分析比较，给出了一个能满足使用要求的载体初步设计方案。

【关键词】浮动式；核电站；载体壳

0 概述

浮动式核电站是指将核动力装置及发电装置安装在海洋浮动平台上，可在不同海域灵活部署并提供能源供给。浮动式核电站能够同时提供电、热、淡水和高温蒸汽等多种产品，可满足区域供电、区域供热、海上石油开采、化工、极地或偏远地区、孤岛等的特殊能源需要，具有灵活性强、用途广泛的特征。

随着海上资源开发力度的加强，海上能源需求量亦随之逐年增加。而常规化石能源代价巨大且污染海洋环境，风能、太阳能等新型能源受场地和应用环境的影响较大，越来越难以满足我国沿海油气资源及海岛开发所带来的能源需求。因此，为了保障海上能源安全和海洋环境，我国有必要设计高效、环保、安全的海上核动力浮动平台。

本文针对渤海油气开发需求，对适用于渤海海域的浮动式核电站载体初步方案进行了研究。

1 浮动式核电站的适用规范及设计原则

1.1 适用规范

目前我国针对陆基核动力电厂，已经形成了包括国家相关法律、核安全法规、核安全导则、国家标准、行业标准规范等层次在内的较为完善的法律法规标准体系。但针对海上核电站载体，中国船级社（CCS）尚未出台核动力装置船舶或平台的法规标准体系。

在目前科研阶段，浮动式核电站可主要以《IMO核动力商船安全规范》、《国际船舶装运密封装置辐射性核燃料、环和强放射性废料规则》、《CCS海上浮式装置入级与建造规范》和《CCS海上移动平台入级规范》等规范为设计依据，同时参考俄罗斯的核动力装置船舶规范标准。

1.2 设计原则

浮动式核电站载体的应保障浮动式核电站设计、建造、服役、退役的全寿命周期下的安全性，即除了保障核反应堆自身的固有安全外，作为核反应堆装置的载体，其系统的安全性、成熟性、适应性对核反应装置的安全运行亦至关重要。

因此与核安全的相关的载体的总布置、破舱稳性、碰撞保护、防火分隔、堆舱通风、消防救生、与应急备用电源等均为设计的重点。

2 载体选型分析

2.1 浮动式核电站对载体的要求

1）反应堆装置尽量布置于水线以下，满足核装置非能动安全系统的要求；

2）布置空间尺度的要求：即具备足够大、封闭舱室空间，用于布置反应堆装置系统、汽轮发电机设备系统以及常规船舶设备系统；

3）载体结构的要求：即载体结构具有足够的强度能够抵抗各种可能的载荷，包括碰撞、搁浅、坠物等事故载荷及极端环境载荷，且结构设计寿命与核动力装置相匹配；

4）适用于渤海湾海域的环境条件且各种工况下平台运动、加速度不超过核反应装置极限值；

5）反应堆运行、维护、换料安全方便。

2.2 各种载体类型及其优缺点分析

用于海洋油气资源开发的比较成熟的海洋工程载体类型主要有：固定式平台（导管架平台、重力式平台、顺应塔式平台）、移动式平台（坐底式平台、自升式平台）、浮式平台（半潜式、SPAR、张力腿式、单船体型等）。

2.2.1 固定式平台与移动式平台

固定式平台中重力式、顺应塔式平台渤海湾区域应用较少，不建议作为可选方案；导管架平台在渤海湾应用较广泛，但受地震的影响因素较大，若需满足核反应堆堆芯保持在水线面以下的布置要求，将使后续整个电站运行控制更为复杂。

自升式移动平台和坐底式移动平台，同样受地震的影响因素大且在渤海湾没有应用工程案例，不建议作为可选方案。

2.2.2 浮式平台（半潜式、SPAR、张力腿式）

半潜式、Spar、张力腿式这三种浮式平台一般适用于中深水海域，对于渤海湾仅有30米水深的海域，不具备可行性。

2.2.3 浮式平台（单船体型）

单船体型浮式平台无论考虑应用安全、功能实现，还是考虑海域适应性，都具备较强的可行性，作为可选方案。

采用单船体型船型方案作为核反应装置的浮动平台，具有以下明显优势：

1）能够满足非能动安全系统要求，避免了地震载荷影响，从本质上提高了核电装置的安全性，双层壳体结构设计可以抵御事故载荷，保障了核反应装置的安全；

2）单船体型兼顾舱室空间大、完整、连续，便于浮动式核电站的舱室布置；

3）借鉴FPSO设计理念，设计建造技术成熟且有较高的经济性；

4）适用《核商船安全规范》；

5）适应海域广，可适用于浅水的渤海湾、也可适用于深水的南海海域；可以抵御二百年一遇的极端海洋环境；浮式、可移动的单船体方案使得核燃料换料、海上设备安装维护、报废退役等更加方便且安全可控。

2.3 小结

根据上述载体型式分析结果，选取单船体型浮动平台作为浮动式核电站的载体型式，安全性好且技术成熟，能满足浮动式核电站的各项技术要求。

3 载体初步技术方案研究

3.1 设计基础、设计工况

针对目标海域-渤海湾，调研分析渤海海域风、浪、流、冰等海洋环境条件，确定该船的设计基础；分析核电船在全寿命周期内拖航、正常运营、极限、事故等工况，参考规范研究确定各工况下设计环境条件，确定设计工况参数，为后续分析提供基础。计算工况如下：

1）拖航工况：1年一遇环境载荷，主要考虑风浪及其诱导载荷，强度评估；

2）正常营运工况：100年一遇环境载荷，主要考虑风浪及其诱导载荷；系泊强度、强度评估、使用极限状态评估；3）极限工况：200年一遇环境载荷，主要考虑风浪及其诱导载荷；承载力极限强度评估；

4）碰撞事故工况：10年一遇环境载荷，碰撞载荷，事故局部损伤强度、剩余极限强度评估。

3.2 主尺度

3.2.1 船长

浮动式核电站载体主要布置于渤海湾海域且无动力长期系泊，无需考虑航道港口的限制和快速性的要求，在满足浮力、抗沉性的前提下主要考虑纵向各舱室的布置要求。

3.2.2 船宽