T-CEPPC 54-2025 液態金屬反應堆主循環泵設計準則

T/CEPPC54—2025液態金屬反應堆主循環泵設計準則DesignCriteriaforMainCirculationPumpofLiquidMetalReactor前言本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規則》的規定起草。本文件為首次發布。本文件由中國電力企業聯合會歸口管理。本文件起草單位：中國核工業集團有限公司、中國廣核集團有限公司、國家電力投資集團有限公司、核工業標準化研究所、中國核電工程有限公司、中廣核工程有限公司、蘭州理工大學、浙富控股集團股份有限公司、大連四方電泵有限公司、中國科學院近代物理研究所、國核電力規劃設計研究院有限公司。本文件起草人：程效銳、張健、李麗、王浩、陳峰、周明、吳濤、劉勇、趙凱、孫磊、馮偉、韓亮、朱敏、田宇、張磊。本文件于2025年12月23日發布，自2026年3月1日起實施。1范圍本文件規定了液態金屬反應堆主循環泵（以下簡稱“主循環泵”）的設計原則、總體要求、結構設計、性能設計、材料要求、安全設計、試驗驗證及設計文件要求。本文件適用于以液態鉛、鉛鉍合金、液態鈉等為冷卻劑的液態金屬反應堆（含鉛基快堆、鈉冷快堆等）主循環泵的設計、研發、試驗及相關技術評審，包括屏蔽泵、電磁泵等主流類型主循環泵，小型化液態金屬反應堆主循環泵可參照執行。本文件不適用于液態金屬反應堆輔助循環泵、應急循環泵的設計。2規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T13284.1—2008核電廠安全系統第1部分：設計準則GB/T3216—2019回轉動力泵水力性能驗收試驗1級和2級GB/T50150—2016電氣裝置安裝電氣設備交接試驗標準DL/T893—2018電站汽輪機、水輪機、發電機檢修導則NB/T20039—2010核電廠電氣設備抗震設計規范NB/T20210—2013核電廠屏蔽泵設計制造規范HAF102核動力廠設計安全規定HAF103核動力廠運行安全規定T/CEPPC30—2023核電廠電力系統安全穩定運行導則《核電廠設計安全規定》（HAF102—2016）3術語和定義3.1液態金屬反應堆以熔融狀態的金屬（如液態鈉、液態鉛、鉛鉍合金等）作為冷卻劑的反應堆，屬于第四代先進核能系統，包括鉛基快堆、鈉冷快堆等，可在常壓、高溫條件下運行，具有燃料轉換能力強、資源利用率高、安全性好等特點。3.2主循環泵液態金屬反應堆一回路的關鍵核心設備，用于驅動液態金屬冷卻劑在反應堆一回路系統內循環流動，將堆芯產生的熱量傳遞至蒸汽發生器（或中間熱交換器），保障反應堆安全穩定運行，包括屏蔽泵、電磁泵等類型[2]。3.3屏蔽泵無軸封、無泄漏的屏蔽式離心泵，電機與泵體一體化設計，轉子與定子之間設置屏蔽套，可有效防止液態金屬冷卻劑泄漏，適用于高溫、高壓、強輻射環境下的液態金屬輸送，是液態金屬反應堆主循環泵的主流類型之一。3.4電磁泵利用電磁感應原理驅動液態金屬流動的泵體，無機械轉動部件，具有無泄漏、無磨損、維護量小等優點，適用于可控聚變堆、小型液態金屬反應堆的冷卻劑循環輸送。3.5設計壽命主循環泵在規定的運行條件、維護周期內，能夠持續滿足設計性能要求、安全要求，無重大故障的預期運行時間，通常不低于反應堆設計壽命的80%。3.6熱沖擊主循環泵在啟停、工況切換或故障情況下，因溫度急劇變化產生的熱應力沖擊，可能導致泵體結構變形、材料損壞，影響設備安全運行。4總則4.1總體要求主循環泵設計應遵循“安全可靠、技術先進、經濟合理、便于運維”的原則，結合液態金屬反應堆的特殊性（高溫、強輻射、液態金屬腐蝕、無泄漏要求），滿足核安全法規、相關標準及本文件要求，確保主循環泵在各種工況下（正常運行、啟停、故障、事故）均能可靠運行，保障反應堆一回路冷卻劑循環暢通，防止因主循環泵故障導致堆芯過熱、冷卻劑泄漏等安全事故。主循環泵設計應充分借鑒國內已有的高溫液態金屬屏蔽泵、核主泵研制成果，結合工程實際需求，優化設計方案，提升設備的可靠性、安全性和經濟性，推動液態金屬反應堆主循環泵的國產化、標準化發展[2]。主循環泵設計應與反應堆一回路系統、蒸汽發生器（中間熱交換器）等設備協調匹配，確保系統整體運行的穩定性和安全性，滿足反應堆正常運行、事故工況下的冷卻要求。4.2設計原則4.2.1安全優先原則：主循環泵作為反應堆安全重要設備，設計應優先考慮安全性能，設置多重安全保障措施，確保設備故障時不影響反應堆安全，具備故障報警、應急停機、冗余備份等功能。4.2.2可靠性原則：采用成熟、可靠的設計方案和技術，減少易損部件，優化結構設計，提升設備的抗腐蝕、抗輻射、抗熱沖擊能力，確保設備長期穩定運行，降低故障發生率。4.2.3適用性原則：結合液態金屬冷卻劑的特性（熔點、密度、粘度、腐蝕性等），針對性設計泵體結構、密封形式、材料選型，確保設備適應液態金屬輸送的特殊要求。4.2.4可維護性原則：設計應考慮設備的安裝、檢修、維護便利性，預留檢修空間，簡化檢修流程，配備必要的檢修工具和監測裝置，降低運維成本和運維難度。4.2.5先進性原則：在滿足安全、可靠的前提下，推廣應用先進的設計技術、制造工藝和監測手段，提升設備的性能指標和智能化水平，推動主循環泵技術升級。4.3責任要求4.3.1設計單位：負責主循環泵的總體設計、結構設計、性能設計、安全設計，編制完整的設計文件，確保設計方案符合本文件及相關標準、核安全法規要求，配合完成試驗驗證和技術評審工作。4.3.2研制單位：按照設計文件要求，開展主循環泵的制造、組裝、調試工作，確保制造質量符合設計要求，配合完成試驗驗證，提供相關制造資料和檢測報告。4.3.3試驗單位：負責主循環泵的性能試驗、壽命試驗、安全試驗等驗證工作，嚴格按照試驗規程開展試驗，確保試驗數據準確、完整，出具試驗報告。4.3.4業主單位：負責主循環泵設計方案的審核、選型，配合設計、研制、試驗單位開展工作，確保主循環泵設計符合反應堆整體運行需求，負責設備的安裝、運維和管理。5總體設計要求5.1工況要求5.1.1正常運行工況：主循環泵應能在設計流量、設計揚程、設計溫度下持續穩定運行，滿足反應堆一回路冷卻劑循環需求，運行參數波動應控制在允許范圍內，無異常振動、噪聲和泄漏。5.1.2啟停工況：主循環泵應能實現平穩啟停，啟停過程中無明顯沖擊，電流、壓力、溫度等參數過渡平穩，避免因啟停沖擊導致設備損壞或系統波動，啟停次數應滿足設計要求。5.1.3故障工況：主循環泵發生輕微故障（如振動超標、溫度異常）時，應能發出告警信號，且不影響設備繼續運行；發生嚴重故障（如電機故障、泵體損壞）時，應能自動停機，防止故障擴大，并觸發備用泵投入運行。5.1.4事故工況：反應堆發生失水、堆芯過熱等事故時，主循環泵應能在規定時間內啟動或保持運行，滿足事故冷卻要求，確保反應堆安全，設備應能承受事故工況下的熱沖擊、壓力沖擊和輻射劑量。5.2性能參數要求5.2.1流量：設計流量應根據反應堆一回路冷卻劑循環需求確定，額定流量偏差應不大于±5%，在最小流量至最大流量范圍內，泵體運行穩定，性能滿足設計要求。5.2.2揚程：設計揚程應滿足一回路系統阻力要求，考慮管路損失、設備阻力等因素，額定揚程偏差應不大于±5%，確保冷卻劑循環速度符合設計標準。5.2.3效率：主循環泵的運行效率應不低于設計值的95%，在正常運行工況下，效率波動應不大于±3%，提升能源利用效率。5.2.4溫度適應性：應能適應液態金屬冷卻劑的工作溫度范圍，對于鉛基快堆用主循環泵，應能長期承受600℃及以上高溫，且在溫度變化范圍內，設備性能穩定，結構無變形[2]。5.2.5抗輻射能力：設備應能承受反應堆一回路環境的輻射劑量，輻射劑量率應符合相關標準要求，輻射照射后，設備性能、材料性能無明顯下降，不影響設備正常運行。5.3冗余配置要求主循環泵應采用冗余配置，根據反應堆容量和安全等級，配置不少于2臺主循環泵，其中1臺運行、1臺備用，備用泵應能在規定時間內（不大于30s）自動投入運行，確保一回路冷卻劑循環不中斷。冗余配置的主循環泵應相互獨立，共用管路系統時應設置隔離閥，防止一臺泵故障影響另一臺泵的運行，確保冗余系統的可靠性。6結構設計6.1整體結構設計6.1.1主循環泵整體結構應緊湊、合理，占地面積小，便于安裝和維護，適應核電廠反應堆廠房的空間限制，結構設計應考慮設備的運輸、吊裝便利性。6.1.2屏蔽泵應采用電機與泵體一體化設計，轉子與定子之間設置雙層屏蔽套，屏蔽套應具有足夠的強度和密封性，防止液態金屬冷卻劑泄漏，屏蔽套材料應適應高溫、強輻射和液態金屬腐蝕環境。6.1.3電磁泵應采用無機械轉動部件設計，線圈、鐵芯等部件應進行密封防護，防止液態金屬腐蝕和輻射損傷，結構設計應確保電磁力均勻，驅動液態金屬平穩流動。6.1.4泵體進出口應設置法蘭連接，法蘭規格應符合相關標準，密封形式應采用耐高溫、耐腐蝕的密封件，確保密封可靠，無泄漏。6.2轉子組件設計6.2.1轉子組件應采用高強度、耐腐蝕、抗輻射材料制造，轉子表面應進行防腐、防輻射處理，確保在高溫、強輻射、液態金屬環境下長期穩定運行，無腐蝕、無變形。6.2.2轉子組件的動平衡精度應符合GB/T3216—2019的相關要求，動平衡等級不低于G2.5級，減少設備運行過程中的振動和噪聲，延長設備使用壽命。6.2.3轉子軸承應采用耐高溫、耐腐蝕、無潤滑（或自潤滑）軸承，適應液態金屬環境，軸承壽命應不低于主循環泵設計壽命，確保軸承運行可靠，無卡澀、無磨損。6.3定子組件設計6.3.1定子組件應采用耐輻射、耐高溫的絕緣材料，絕緣等級不低于H級，確保在強輻射、高溫環境下絕緣性能穩定，無絕緣老化、擊穿現象。6.3.2定子線圈應進行真空浸漬處理，提升絕緣性能和抗輻射能力，線圈布置應合理，散熱良好，避免因局部過熱導致線圈損壞。6.3.3屏蔽泵的定子屏蔽套應與定子鐵芯緊密結合，屏蔽套厚度應根據壓力、溫度和腐蝕要求合理設計，確保屏蔽套無變形、無泄漏，同時不影響電機的電磁性能。6.4密封設計6.4.1主循環泵應采用無泄漏密封設計，屏蔽泵依靠屏蔽套實現密封，電磁泵無機械密封部件，確保液態金屬冷卻劑不泄漏，防止環境污染和人員傷害。6.4.2泵體與管路連接的法蘭密封應采用金屬纏繞墊片或其他耐高溫、耐腐蝕密封件，密封面應加工平整，確保密封可靠，在設計壓力、溫度下無泄漏。6.4.3密封部件應具備良好的抗輻射、抗腐蝕能力，使用壽命不低于主循環泵設計壽命的80%，便于更換和維護。7材料要求7.1材料選用原則7.1.1主循環泵所用材料應符合核安全法規和相關標準要求，優先選用成熟、可靠、經過核級認證的材料，材料性能應滿足高溫、強輻射、液態金屬腐蝕、高壓等工況要求。7.1.2材料應具備良好的力學性能、耐腐蝕性能、抗輻射性能和熱穩定性，在設計溫度、壓力和輻射劑量下，材料性能無明顯下降，不發生脆化、腐蝕、變形等現象。7.1.3材料應具備良好的加工性能和焊接性能，便于制造、組裝和檢修，焊接接頭的性能應不低于母材性能，焊接工藝應經過驗證，確保焊接質量。7.2主要部件材料要求7.2.1泵體、泵蓋：應采用耐高溫、耐腐蝕、抗輻射的奧氏體型不銹鋼或鎳基合金，如316L不銹鋼、Inconel合金等，材料的高溫強度、耐腐蝕性能應滿足設計要求，適應液態金屬冷卻劑的腐蝕環境。7.2.2轉子、葉輪：應采用高強度、耐腐蝕、抗輻射的鎳基合金或鈦合金，材料的抗拉強度、屈服強度應符合設計要求，轉子表面可采用等離子噴涂等工藝進行防腐處理，提升抗腐蝕能力。7.2.3屏蔽套：應采用耐高溫、耐腐蝕、薄壁厚的奧氏體型不銹鋼或哈氏合金，厚度應根據設計壓力和溫度合理確定，確保屏蔽套的強度和密封性，同時減少對電機電磁性能的影響，適應600℃及以上高溫環境。7.2.4軸承：應采用耐高溫、耐腐蝕、無潤滑的陶瓷軸承或碳化硅軸承，材料應具備良好的耐磨性和熱穩定性，在液態金屬環境下無磨損、無卡澀。7.2.5絕緣材料：應采用耐輻射、耐高溫的聚酰亞胺、云母等絕緣材料，絕緣等級不低于H級，確保在強輻射、高溫環境下絕緣性能穩定，無老化、擊穿現象。7.3材料檢驗要求7.3.1主循環泵所用材料應進行嚴格的檢驗，包括化學成分分析、力學性能試驗、耐腐蝕試驗、抗輻射試驗等，檢驗結果應符合相關標準和設計要求，不合格材料嚴禁使用。7.3.2材料的采購、驗收、儲存、領用應建立完善的管理制度，確保材料的可追溯性，材料檢驗記錄應妥善保管，保存期限不少于主循環泵設計壽命。7.3.3焊接接頭應進行無損檢測（如射線檢測、超聲波檢測、滲透檢測等），檢測比例不低于100%，檢測結果應符合相關標準要求，確保焊接質量。8安全設計8.1泄漏防護設計8.1.1主循環泵應采用無泄漏設計，屏蔽泵通過雙層屏蔽套、電磁泵通過無機械密封結構，確保液態金屬冷卻劑不泄漏，防止冷卻劑泄漏導致的環境污染和人員輻射傷害。8.1.2泵體應設置泄漏監測裝置，實時監測泵體密封情況，若發生泄漏，應立即發出告警信號，并觸發應急停機程序，同時啟動泄漏收集和處理系統，防止泄漏擴大。8.2過熱保護設計8.2.1主循環泵應設置溫度監測裝置，監測泵體、電機、軸承、液態金屬冷卻劑的溫度，溫度監測點應布置合理，監測精度不低于±1℃。8.2.2當監測溫度超過設計允許值時，應發出告警信號，若溫度持續升高，應自動停機，防止設備因過熱損壞，同時觸發備用泵投入運行，確保一回路冷卻劑循環不中斷。8.3振動、噪聲保護設計8.3.1主循環泵應設置振動監測裝置，監測泵體、電機的振動速度和振動加速度，振動監測精度應符合相關標準要求，振動超標時應發出告警信號，及時排查故障。8.3.2設備運行噪聲應控制在85dB(A)以內，通過優化結構設計、采用減震措施（如減震墊、減震器），減少設備運行過程中的噪聲污染，保護運維人員健康。8.4應急停機設計8.4.1主循環泵應設置應急停機系統，當發生嚴重故障（如泄漏、過熱、振動超標、電機故障）或反應堆發生事故時，應能手動或自動應急停機，停機過程平穩，無明顯沖擊。8.4.2應急停機系統應具備冗余設計，確保在單一故障情況下，應急停機功能仍能正常實現，應急停機時間不大于10s，防止故障擴大。8.5抗震設計主循環泵的抗震設計應符合NB/T20039—2010的相關要求，抗震等級應根據反應堆廠房的抗震設防烈度確定，設備應能承受地震作用下的水平和豎向加速度，結構無變形、無損壞，地震后能快速恢復正常運行。9試驗驗證9.1試驗總則主循環泵在設計完成后，應進行全面的試驗驗證，包括性能試驗、壽命試驗、安全試驗、環境試驗等，試驗應嚴格按照相關標準和試驗規程開展，確保試驗數據準確、完整，驗證設備設計符合本文件及相關標準要求。試驗用介質應采用與實際運行一致的液態金屬冷卻劑（或模擬介質），試驗環境應模擬反應堆一回路的高溫、高壓、強輻射環境（如需），確保試驗結果的真實性和可靠性。9.2性能試驗9.2.1流量-揚程試驗：測定主循環泵在不同流量下的揚程，驗證流量、揚程是否符合設計要求，流量-揚程曲線應平穩，無明顯波動，額定工況下的流量、揚程偏差應不大于±5%。9.2.2效率試驗：測定主循環泵在不同流量下的運行效率，驗證效率是否符合設計要求，額定工況下的效率應不低于設計值的95%，效率波動應不大于±3%。9.2.3啟停試驗：進行不少于10次的啟停試驗，驗證設備啟停平穩性，啟停過程中無明顯沖擊，電流、壓力、溫度等參數過渡平穩，啟停功能可靠。9.2.4變工況試驗：模擬主循環泵在最小流量、額定流量、最大流量等不同工況下的運行情況，驗證設備在變工況下的性能穩定性，無異常振動、噪聲和泄漏。9.3安全試驗9.3.1泄漏試驗：在設計壓力、溫度下，對泵體、法蘭連接、屏蔽套等密封部位進行泄漏試驗，試驗時間不少于24h，無泄漏現象，泄漏率符合設計要求。9.3.2過熱試驗：模擬設備過熱工況，測定溫度監測裝置的響應性能和應急停機功能，驗證過熱保護設計的可靠性，確保溫度超標時能及時告警和停機。9.3.3振動、噪聲試驗：測定設備在額定工況下的振動速度、振動加速度和噪聲值，驗證振動、噪聲是否符合設計要求，振動超標時告警功能可靠。9.3.4應急停機試驗：模擬設備嚴重故障和反應堆事故工況，驗證應急停機系統的響應速度和可靠性，應急停機時間不大于10s，停機過程平穩。9.4環境試驗9.4.1高溫試驗：將主循環泵置于設計溫度環境下，持續運行不少于1000h，驗證設備在高溫環境下的性能穩定性和材料耐受性，無變形、無腐蝕、無故障。9.4.2輻射試驗：將主循環泵置于模擬輻射環境下，照射劑量達到設計輻射劑量，驗證設備在強輻射環境下的性能穩定性，絕緣性能、機械性能無明顯下降。9.4.3抗震試驗：按照NB/T20039—2010的要求，進行抗震試驗，驗證設備在地震作用下的結構穩定性和性能可靠性，地震后能快速恢復正常運行。9.5壽命試驗主循環泵應進行壽命試驗，試驗時間不少于設計壽命的1.2倍，或采用加速壽命試驗方法，驗證設備的使用壽命，試驗過程中設備無重大故障，性能符合設計要求，壽命試驗完成后，設備應能繼續正常運行。9.6試驗報告試驗完成后，應編制完整的試驗報告，包括試驗目的、試驗依據、試驗設備、試驗過程、試驗數據、試驗結論等內容，試驗報告應準確、完整、規范，作為設備設計驗收和技術評審的依據，試驗記錄應妥善保管，保存期限不少于主循環泵設計壽命。10設計文件要求10.1設計文件組成主循環泵設計應編制完整的設計文件，包括但不限于：設計說明書、總體布置圖、結構裝配圖、零件圖、材料清單、性能計算書、安全分析報告、試驗大綱、制造工藝文件、檢修維護手冊等。10.2設計文件