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摘 要：KLT-40S所采用的鼓泡抑压技术其抑压工作过程与传统抑压技术完全不同，这种技术需要的抑压池空间较小，具有结构简单可靠，布置灵活，空间利用率高等优点。本文还对KLT-40S鼓泡抑压技术的应用条件进行了说明。
关键词：小型堆；KLT-40S；鼓泡；抑压池；技术特点
根据文献[1]， 由于LOCA 事故喷放阶段质能释放焓值较高，安全壳喷淋难以及时有效地抑制安全壳压力的上升，如何抑制事故初期安全壳内的压力峰值是维持安全壳完整性的关键，根据BWR设计和国外小型堆开发的经验，安全壳抑压技术是解决该问题的重要途径。KLT-40S是由俄罗斯Afrikantov OKBM（阿夫里坎托夫机械工程实验设计局）开发设计的小型反应堆，它采用的是鼓泡抑压技术，这有别于传统抑压技术（比如GE的MARK-I、MARK-II、MARK-III安全壳）。
1 KLT-40S安全壳特点
KLT-40S的安全壳为长方体形钢质安全壳，除去反应堆系统、设备和构筑物占用的实体空间外，它由上部湿井，下部湿井和干井组成。上部湿井和干井之间通过联通管口上的爆破膜分隔，下部湿井和干井之间也通过联通管连接，联通管一端通过爆破膜接着干井，另一端深埋在抑压池水面以下，水面下的联通管横管上开设有朝上的通气孔，起到在抑压工作的时候向上鼓泡的作用，因此称之为“鼓泡抑压”，干井和下部湿井之间通过该联通管这唯一通道联通。
在上部湿井和下部干井之间有分隔板，使上部湿井和下部干井之间完全分隔开。KLT-40S安全壳内部图及设计简化图见图1。
2 鼓泡抑压工作过程
在干井内发生LOCA事故的情况下，见图3，干井中的压力迅速升高，当达到爆破膜1的设定压力（KLT的设定压力为1.3Bar[2]）的时候，爆破膜破裂，压力促使联通管内的水实体被推射到湿井中，当联通管内的水推射完毕，蒸汽/空气的混合物以鼓泡的形式进入到湿井中，蒸汽被迅速凝结，不凝结的空气进入到下部湿井的上部空间中，使该区域的压力不断升高，当超过联通管上爆破膜的设定压力（KLT是1.7Bar）的时候，爆破膜破裂，上部湿井大量的自由空间使下部湿井内的压力迅速降低，这样鼓泡凝结的过程还可以持续到干井和湿井压力平衡为止。随着事故进程，热量的导出很可能造成上部湿井压力大大超过下部干井，这对维持结构的完整性是非常危险的，随着压差的加大，爆破膜3破裂，使干井和湿井之间的压力维持平衡直到事故后期。
从工质传递形成持续抑压过程的角度我们可以把这个过程分成4个阶段：
第一阶段：干井压力迅速升高到爆破膜1设定压力阶段；
第二阶段：爆破膜1破裂到联通管内水实体被推压出去阶段；
第三阶段：从推压完成到爆破膜2破裂前持续鼓泡抑压阶段；
第四阶段：从爆破膜2破裂到抑压过程停止（不存在工质的正向流动）阶段。
从上面工作过程的描述，我们可见在KLT-40S的抑压工作过程中，正是通过爆破膜实现了对抑压工作过程的有效干预，这是与传统抑压技术显著不同的地方。
3 鼓泡抑压技术优点
3.1 缩小事故影响范围
在发生安全壳内冷却剂或蒸汽泄漏事故后，安全壳内湿热环境会对设备可能造成影响，从主动安全的角度来讲，能够把事故影响限制在尽可能小的范围内是行之有效的技术措施，而KLT-40S采用爆破膜的干预手段，能够最大限度地缩小事故影响范围：
（1）第一道爆破膜可以使轻微泄漏不至于导致抑压过程启动；
（2）第二道爆破膜同样可以使抑压过程限制在局部的范围之内。
即使是在大破口泄漏的情况下，第一二道爆破膜只是使抑压工作过程出现瞬断，干预了安全壳内压力变化的过程，但爆破膜对终态不会有影响。
3.2 有效缩小抑压池和联通管尺寸
抑压池担负着重要的安全功能，占据了安全壳内相当大的布置空间，而传统抑压技术为达到抑压效果，对抑压池的布置要求非常高，而KLT-40S通过第二道爆破膜将湿井进行了隔离，在抑压池水面上方只需要很小的一部分自由容积，这样使抑压池得到了最大限度地缩小，从而使得安全壳内的布置可以非常地灵活高效，非常适于“瘦高型”抑压容器代替抑压池，这非常有利于适应海洋摇摆冲击工作环境。
在同样的事故后蒸汽量的情况，KLT-40S需要通过联通管通流的不凝结气体的体积要大幅度地低于传统抑压技术，因此KLT-40S需要的联通管可以设计得很小。
3.3 能够消除不凝结气体的影响
根据抑压工作原理，只有蒸汽进入抑压池才会有效抑制压力升高，但事故前安全壳内空气的存在对抑压过程的负面影响是客观存在的，從KLT-40S的抑压过程我们可见，在事故后他只需要驱赶安全壳内非常少的干井中的空气，因为紧凑结构设计，这部分空气占安全壳内自由容积的份额非常小，也就是说事故后只有干井中的少量空气会对抑压过程造成负面影响。即使这少量的不凝结气体影响了KLT-40S的抑压过程，在第二道爆破膜破裂后，抑压过程仍然可以持续，从而实现充分换热。
3.4 能够有效“驱赶”蒸汽到抑压池
对采用抑压技术的安全壳，如何在事故后使蒸汽迅速通过抑压池水凝结冷却是抑制压力升高的关键。在蒸汽进入抑压水池过程中，都不同程度地夹带着不凝结的空气。
对KLT-40S而言，即使事故初期进入抑压水池的气体全部是不凝结气体，也只会使第三阶段过程缩短，在第四阶段抑压池可以持续进行凝结抑压，因此干井中的不凝结气体不会对蒸汽的凝结抑压造成影响。KLT-40S在第二道爆破膜破裂后，上部湿井空间可以用于吸纳大量的不凝结空气，由于干井的容积小容纳的空气少，空气相对于需凝结的蒸汽的份额就小得多，这对快速驱赶蒸汽进入抑压池是非常有利的。 4 鼓泡抑压技术应用条件
4.1 安全壳内增设分隔
对KLT-40S抑压技术，在干井和上部湿井之间需要加设分隔板，这是实现抑压功能和对抑压过程干预的关键技术措施，从图4可见，分隔装置在主设备正上方是比较厚重的，这主要是兼顾了辐射屏蔽的功能，在其他区域辐射屏蔽要求较低的情况下，分隔板要薄得多。
4.2 爆破膜设定压力
如圖5，典型的LOCA事故后，干井内的压力迅速升高，在联通管内的水推射完毕后，湿井内的压力也迅速升高，在几十秒内干井内的压力就可以达到压力峰值。
KLT-40S设置的爆破膜在抑压过程中不仅改变了干井和湿井压力变化的进程和数值，甚至能延缓压力峰值出现的时间，降低压力峰值。
爆破膜的设定压力应以事故分析和试验验证为基础，合理选择和优化组合。
4.3 安全壳内分隔位置的选取
从KLT-40S的抑压设计我们可以看出，威胁到安全壳完整性的大破口的泄漏点都选择在分隔板的下方，分隔板上方要求不能存在威胁安全壳完整性的可能破口点，这就要求反应堆和主要设备几乎都要布置在分隔板下方，将可能发生破口泄漏的设备和管道设置在分隔板的下方。
对采用OTSG（直通式蒸发器）的一体化堆型或紧凑型堆型，因为蒸发器二次侧水装量极少，即使发生MSLB（主蒸汽管道破裂），在主蒸汽隔离阀隔离后只会泄漏出非常少的蒸汽，不会威胁到安全壳，不需要将主蒸汽管道布置在分隔板下方这样，容易实现分隔板布置和采用鼓泡抑压技术。而BWR和采用UTSG（U型管式蒸发器）的PWR因为主蒸汽管道破裂高能释放时间长、能量大的特点，不宜采用鼓泡抑压技术。
5 结语
综上所述，KLT-40S采用的鼓泡抑压技术工作原理与传统BWR抑压技术没有区别，但具有与传统抑压技术完全不同的工作过程，通过采用分隔板和爆破膜，实现了对抑压过程的巧妙干预，鼓泡抑压技术能够很好地适应海洋工作条件，可以为国内开发海上小型堆借鉴和参考。
参考文献：
[1]全标，等.抑压式安全壳的抑压特性研究[J].核动力工程.
[2]IAEA-TECDOC-881，Design and development status of small and medium reactor systems 1995[EB].IAEA.
作者简介：张臣刚（1973-），男，重庆万州人，本科，高级工程师，主要从事核电堆型研发和设备国产化研发方面的工作。
关键词：小型堆；KLT-40S；鼓泡；抑压池；技术特点
根据文献[1]， 由于LOCA 事故喷放阶段质能释放焓值较高，安全壳喷淋难以及时有效地抑制安全壳压力的上升，如何抑制事故初期安全壳内的压力峰值是维持安全壳完整性的关键，根据BWR设计和国外小型堆开发的经验，安全壳抑压技术是解决该问题的重要途径。KLT-40S是由俄罗斯Afrikantov OKBM（阿夫里坎托夫机械工程实验设计局）开发设计的小型反应堆，它采用的是鼓泡抑压技术，这有别于传统抑压技术（比如GE的MARK-I、MARK-II、MARK-III安全壳）。
1 KLT-40S安全壳特点
KLT-40S的安全壳为长方体形钢质安全壳，除去反应堆系统、设备和构筑物占用的实体空间外，它由上部湿井，下部湿井和干井组成。上部湿井和干井之间通过联通管口上的爆破膜分隔，下部湿井和干井之间也通过联通管连接，联通管一端通过爆破膜接着干井，另一端深埋在抑压池水面以下，水面下的联通管横管上开设有朝上的通气孔，起到在抑压工作的时候向上鼓泡的作用，因此称之为“鼓泡抑压”，干井和下部湿井之间通过该联通管这唯一通道联通。
在上部湿井和下部干井之间有分隔板，使上部湿井和下部干井之间完全分隔开。KLT-40S安全壳内部图及设计简化图见图1。
2 鼓泡抑压工作过程
在干井内发生LOCA事故的情况下，见图3，干井中的压力迅速升高，当达到爆破膜1的设定压力（KLT的设定压力为1.3Bar[2]）的时候，爆破膜破裂，压力促使联通管内的水实体被推射到湿井中，当联通管内的水推射完毕，蒸汽/空气的混合物以鼓泡的形式进入到湿井中，蒸汽被迅速凝结，不凝结的空气进入到下部湿井的上部空间中，使该区域的压力不断升高，当超过联通管上爆破膜的设定压力（KLT是1.7Bar）的时候，爆破膜破裂，上部湿井大量的自由空间使下部湿井内的压力迅速降低，这样鼓泡凝结的过程还可以持续到干井和湿井压力平衡为止。随着事故进程，热量的导出很可能造成上部湿井压力大大超过下部干井，这对维持结构的完整性是非常危险的，随着压差的加大，爆破膜3破裂，使干井和湿井之间的压力维持平衡直到事故后期。
从工质传递形成持续抑压过程的角度我们可以把这个过程分成4个阶段：
第一阶段：干井压力迅速升高到爆破膜1设定压力阶段；
第二阶段：爆破膜1破裂到联通管内水实体被推压出去阶段；
第三阶段：从推压完成到爆破膜2破裂前持续鼓泡抑压阶段；
第四阶段：从爆破膜2破裂到抑压过程停止（不存在工质的正向流动）阶段。
从上面工作过程的描述，我们可见在KLT-40S的抑压工作过程中，正是通过爆破膜实现了对抑压工作过程的有效干预，这是与传统抑压技术显著不同的地方。
3 鼓泡抑压技术优点
3.1 缩小事故影响范围
在发生安全壳内冷却剂或蒸汽泄漏事故后，安全壳内湿热环境会对设备可能造成影响，从主动安全的角度来讲，能够把事故影响限制在尽可能小的范围内是行之有效的技术措施，而KLT-40S采用爆破膜的干预手段，能够最大限度地缩小事故影响范围：
（1）第一道爆破膜可以使轻微泄漏不至于导致抑压过程启动；
（2）第二道爆破膜同样可以使抑压过程限制在局部的范围之内。
即使是在大破口泄漏的情况下，第一二道爆破膜只是使抑压工作过程出现瞬断，干预了安全壳内压力变化的过程，但爆破膜对终态不会有影响。
3.2 有效缩小抑压池和联通管尺寸
抑压池担负着重要的安全功能，占据了安全壳内相当大的布置空间，而传统抑压技术为达到抑压效果，对抑压池的布置要求非常高，而KLT-40S通过第二道爆破膜将湿井进行了隔离，在抑压池水面上方只需要很小的一部分自由容积，这样使抑压池得到了最大限度地缩小，从而使得安全壳内的布置可以非常地灵活高效，非常适于“瘦高型”抑压容器代替抑压池，这非常有利于适应海洋摇摆冲击工作环境。
在同样的事故后蒸汽量的情况，KLT-40S需要通过联通管通流的不凝结气体的体积要大幅度地低于传统抑压技术，因此KLT-40S需要的联通管可以设计得很小。
3.3 能够消除不凝结气体的影响
根据抑压工作原理，只有蒸汽进入抑压池才会有效抑制压力升高，但事故前安全壳内空气的存在对抑压过程的负面影响是客观存在的，從KLT-40S的抑压过程我们可见，在事故后他只需要驱赶安全壳内非常少的干井中的空气，因为紧凑结构设计，这部分空气占安全壳内自由容积的份额非常小，也就是说事故后只有干井中的少量空气会对抑压过程造成负面影响。即使这少量的不凝结气体影响了KLT-40S的抑压过程，在第二道爆破膜破裂后，抑压过程仍然可以持续，从而实现充分换热。
3.4 能够有效“驱赶”蒸汽到抑压池
对采用抑压技术的安全壳，如何在事故后使蒸汽迅速通过抑压池水凝结冷却是抑制压力升高的关键。在蒸汽进入抑压水池过程中，都不同程度地夹带着不凝结的空气。
对KLT-40S而言，即使事故初期进入抑压水池的气体全部是不凝结气体，也只会使第三阶段过程缩短，在第四阶段抑压池可以持续进行凝结抑压，因此干井中的不凝结气体不会对蒸汽的凝结抑压造成影响。KLT-40S在第二道爆破膜破裂后，上部湿井空间可以用于吸纳大量的不凝结空气，由于干井的容积小容纳的空气少，空气相对于需凝结的蒸汽的份额就小得多，这对快速驱赶蒸汽进入抑压池是非常有利的。 4 鼓泡抑压技术应用条件
4.1 安全壳内增设分隔
对KLT-40S抑压技术，在干井和上部湿井之间需要加设分隔板，这是实现抑压功能和对抑压过程干预的关键技术措施，从图4可见，分隔装置在主设备正上方是比较厚重的，这主要是兼顾了辐射屏蔽的功能，在其他区域辐射屏蔽要求较低的情况下，分隔板要薄得多。
4.2 爆破膜设定压力
如圖5，典型的LOCA事故后，干井内的压力迅速升高，在联通管内的水推射完毕后，湿井内的压力也迅速升高，在几十秒内干井内的压力就可以达到压力峰值。
KLT-40S设置的爆破膜在抑压过程中不仅改变了干井和湿井压力变化的进程和数值，甚至能延缓压力峰值出现的时间，降低压力峰值。
爆破膜的设定压力应以事故分析和试验验证为基础，合理选择和优化组合。
4.3 安全壳内分隔位置的选取
从KLT-40S的抑压设计我们可以看出，威胁到安全壳完整性的大破口的泄漏点都选择在分隔板的下方，分隔板上方要求不能存在威胁安全壳完整性的可能破口点，这就要求反应堆和主要设备几乎都要布置在分隔板下方，将可能发生破口泄漏的设备和管道设置在分隔板的下方。
对采用OTSG（直通式蒸发器）的一体化堆型或紧凑型堆型，因为蒸发器二次侧水装量极少，即使发生MSLB（主蒸汽管道破裂），在主蒸汽隔离阀隔离后只会泄漏出非常少的蒸汽，不会威胁到安全壳，不需要将主蒸汽管道布置在分隔板下方这样，容易实现分隔板布置和采用鼓泡抑压技术。而BWR和采用UTSG（U型管式蒸发器）的PWR因为主蒸汽管道破裂高能释放时间长、能量大的特点，不宜采用鼓泡抑压技术。
5 结语
综上所述，KLT-40S采用的鼓泡抑压技术工作原理与传统BWR抑压技术没有区别，但具有与传统抑压技术完全不同的工作过程，通过采用分隔板和爆破膜，实现了对抑压过程的巧妙干预，鼓泡抑压技术能够很好地适应海洋工作条件，可以为国内开发海上小型堆借鉴和参考。
参考文献：
[1]全标，等.抑压式安全壳的抑压特性研究[J].核动力工程.
[2]IAEA-TECDOC-881，Design and development status of small and medium reactor systems 1995[EB].IAEA.
作者简介：张臣刚（1973-），男，重庆万州人，本科，高级工程师，主要从事核电堆型研发和设备国产化研发方面的工作。