从2012年起，在中核集团和国家能源局的连续支持下，哈尔滨工程大学先后承担了“非能动安全壳热量导出系统研究”（合同编号：CNPHFZ12KY2N0183/01）、“非能动安全壳热量导出系统研发”（合同编号：CNPHFZ12KY2N0504/00，CNPHFZ14KY2N0090/00）、“安全壳非能动热量导出系统设计研究”（合同编号：CNPHFZ14KY2N0088/00）、“非能动安全壳热量导出系统试验”（合同编号：CNPHFZ15KY2N0330/00）等系列课题的研究工作，与中国核电工程有限公司联合完成了非能动安全壳热量导出系统关键技术的研发。 “华龙一号”是我国自主设计的首个百万千瓦级三代核电机组，采用了能动与非能动相结合的设计理念。非能动安全壳热量导出系统（简称PCS）是“华龙一号”三大非能动安全系统之一，用于在超设计基准事故下导出安全壳内的热量，确保安全壳的完整性，是实现国家规划纲要要求“从设计上实际消除大量放射性物质释放”的关键系统，是“华龙一号”先进性的重要标志。核动力与常规动力不同，其反应堆在关闭后不会像锅炉那样立即停止释热，而是会持续释出巨大的衰变热。一座1000 MW的压水堆核电机组，在其停堆1小时后的衰变功率可达40 MW，即使在停堆后72小时，其堆芯衰变功率仍达 12 MW。因此，一旦发生反应堆严重事故，就会有大量的高温蒸汽被持续释放到安全壳中，导致安全壳内的温度和压力快速上升，使其面临破坏的风险。为了防止发生大规模放射性物质的不可控释放，传统的二代核电机组在安全壳内设置了喷淋系统，用于在事故工况下对安全壳空间进行降温减压。但如果是发生全厂断电事故，喷淋系统将随之失效，安全壳仍面临超温、超压破坏的巨大风险。日本福岛核电站就是因为大地震导致的海啸淹没了应急柴油发电机组，使核电站失去了全部动力源，进而导致发生了严重的放射性物质泄漏事故，造成严重的环境污染。 为了避免类似福岛核泄漏事故的再次发生，各国在三代核电机组的设计中，纷纷考虑采用非能动安全技术，即不依赖外部动力，仅通过利用重力、流体密度差等自然力对安全壳进行非能动冷却，保证即使发生全厂断电事故，也能为安全壳空间提供有效冷却，实现对安全壳的“全天候”守护。 在三代核电机组中，美国AP1000通过对钢制安全壳进行壳外重力喷淋，实现了对安全壳的非能动冷却。但其钢制安全壳也面临沿海高盐环境60年寿期的腐蚀考验和长期的维护保养成本，而且由于受到制造工艺的限制，钢制安全壳的可建造规模对单台机组的功率扩容造成很大限制。我国研发的首个拥有完整自主知识产权的三代核电机组“华龙一号”采用了双层混凝土安全壳设计方案，该方案的显著优点是充分利用了混凝土安全壳设计与运行的成熟技术与经验，具有良好的反应堆功率扩展适应性。但其厚重的混凝土墙体（内层安全壳厚度达1.3 m，外层安全壳厚度达到1.8 m）又对安全壳空间热量的非能动导出造成巨大困难，是一个长期没有得到解决的世界性难题。 （1）首次发现了管束间高浓度不凝性气体的“叠加效应”、“管束抽吸效应”、“倾管效应”和“热质驱动效应”，颠覆了高浓度不凝性气体仅能使传热恶化的传统认知，创建了高精度、宽范围冷凝传热模型，为PCS换热器设计提供了核心传热模型。 （2）提出了基于隐式差分格式的空泡份额精细化求解算法和能够快速准确捕捉闪蒸起始点的滑移网格法，率先开发了具有完全自主知识产权的PCS分析程序，实现了对PCS的高精度模拟，打破了国内外没有可信计算分析软件的窘境，满足了国家对核电软件自主化的迫切战略需求。 （3）提出了异径联箱技术，攻克了换热器内的均流难题，巧用管束效应，成功研制了双区、双排、宽翼展集管换热器，使PCS拥有单台2 MW排热能力的强大“吸热芯”，满足了事故条件下对超大安全壳内热量“排得快”的根本需求。 （4）突破了低驱动压头和大贯穿水深自然循环系统的工程设计“禁区”，攻克了浸没管路出口汽-水分离技术，成功将水箱水位下降产生的流动阻力转变为驱动力，研制出国内首套适用于大型双层混凝土安全壳的非能动热量导出系统。面对挑战，本项目历时8年，提出了高精度、宽范围管外含大量不凝性气体冷凝传热分析模型，开发了具有完全自主知识产权的PCS专用系统分析程序，开创性地设计了双区、双排、宽翼展集管换热器，完成了与双层混凝土安全壳相适应的开式非能动热量导出系统工程化研制，实现了对“华龙一号”安全壳的“全天候”守护，使我国核电机组每运行堆年发生大规模放射性释放的概率由二代堆的10-5降低至三代堆的10-7，达到国际最高安全标准，为我国实现由核电大国向核电强国的历史性跨越提供了关键技术支撑。研制成功了具有国际最高水平的PCS，攻克了在全厂断电事故下非能动导出大型混凝土安全壳内核衰变热的世界性难题。已为福清核电5、6号机组、漳州核电1、2号机组和巴基斯坦卡拉奇2、3号机组提供了6套PCS，产生1.6亿元的直接经济效益，并间接保障了1000亿元规模核电项目的顺利实施。相关成果在英国、加拿大、日本和韩国获得专利授权4项，国内授权专利30项，制定行业标准1项。

哈尔滨工程大学

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