此前，我国核电厂中只有秦山一期（30万千瓦）蒸汽发生器由国内设计，秦山二期（60万千瓦）、秦山三期（70万千瓦重水堆）、大亚湾、岭澳一期和岭澳二期等核电厂的蒸汽发生器均由国外公司设计。百万千瓦核电厂蒸汽发生器的设计一直未完全实现自主化，主要核心技术和关键技术均掌握在外国公司手中。为响应国家核电发展战略提出的材料国产化和制造国产化的要求，同时基于辽宁红沿河核电厂一期工程的实施，中国核动力研究设计院（NPIC）果断做出自主化设计的决策，以适应日益增长的压水堆核电厂的设计和建造需求。
红沿河核电一期工程是我国“十一五”期间首个批准开工建设的核电项目，是我国首次一次开展4台百万千瓦核电机组标准化、规模化建设的核电项目，在国家核电发展中具有承上启下的作用。此次针对红沿河核电一期工程的蒸汽发生器的自主化设计属国内首次开展百万千瓦级核电厂蒸汽发生器的设计攻关。该项攻关工作于2006年1月启动，2010年9月设备竣工并交付业主。目前设备运行良好，各项性能指标符合要求。
一、项目简介
蒸汽发生器（SG）是核电站最为关键的主要设备之一，其主要功能包括：（1）将堆芯热量传递至二次侧产生蒸汽驱动汽轮机发电；（2）作为一、二回路的压力边界；（3）在正常停堆冷却和某些事故工况下，导出堆芯的衰变余热，保护反应堆安全。
该项目完成了蒸汽发生器全面的设计及分析，包括：热工水力分析、结构设计及其力学分析、材料设计、关键制造、检验和试验等技术设计以及制造、安装和调试等全程技术服务。本项目蒸汽发生器为立式U形管自然循环式蒸汽发生器，由两大部分组成。下部为自然循环驱动的换热部分，由一次侧的水室、管束和二次侧的管束套筒、承压壳体组成；上部由安装于承压壳体内的汽水分离器和干燥器组成汽水分离部分。
二、关键技术研究和创新
蒸汽发生器的设计是一个复杂的系统工程，需要综合考虑电厂总体要求，包括核岛土建的需要、系统设计和布置的需要、仪表控制的需要、在役检查的需要和人员防护的需要，还要考虑设备功能的良好实现，设备的安全性，并要综合考虑电厂的延寿等等。项目组从SG自主化设计技术路线的确立，到设计总体策划、接口设计、设计开展、制造技术服务、安装和调试技术服务，解决了诸多技术难点，掌握了SG设计的所有关键技术，并在诸如SG热工水力分析、结构优化设计、材料国产化等方面作出了创新。
1．热工水力分析
（1）稳态热工水力计算
蒸汽发生器稳态热工水力计算用于确定SG的基本尺寸及在稳定工况下的运行条件。蒸汽发生器内部结构复杂，在高温高压条件下运行，并且二次侧大部分区域为两相流动状态，计算分析难度大，通常以可靠的经验证的专业计算软件为主进行计算。目前国外设计均针对特定SG型式开发了专用计算软件，并对软件中部分参数进行固化，其物理模型和数学模型均有一定的局限性。中国核动力研究设计院于上世纪90年代初引进了全套SG热工水力计算软件，经过近二十年的消化吸收，对程序内置模型和固化参数进行了解析，对程序模型进行了必要的修正和验证。在消化吸收国外软件的基础上，改进了蒸汽发生器热工水力模型，掌握了蒸汽发生器稳态热工水力分析的关键技术，形成了一套蒸汽发生器热工水力设计分析方法，计算结果满足总体设计要求。
（2）流动稳定性分析
项目研究了蒸汽流量、给水流量、给水温度、一次侧流量和一次侧进口温度发生瞬态扰动时蒸汽发生器的水位、蒸汽压力及二次侧自然循环流量的响应情况。分析表明，该项目SG的流动稳定性满足设计要求。
2．关键结构设计和分析
（1）复杂结构的匹配性设计
该项目采用三维设计手段，开展了传热管/支承的尺寸公差分析、干涉检查、虚拟装配以及汽水分离器和干燥器等复杂结构尺寸链的分析，确保了零件公差与组件公差的匹配。另外，利用三维设计软件对局部结构进行分析和优化设计，为力学评价提供保障，提高设备安全裕度和设计质量。
（2）汽水分离装置设计
设计了旋叶式分离器和干燥器两部分组成的汽水分离装置，两部分结构中间还设计了约
（3）给水环设计
该项目给水环采用在不锈钢环管上设置36只J形喷嘴的结构，有效避免了“汽锤”现象，另外对J形喷嘴的周向分布进行了合理分配，使给水流量的分配满足设计要求。
（4）排污设计
该项目蒸汽发生器设计了连续排污结构，在管板上部与第一块支撑板之间大约400mm距离内设置一块流量分配板，中间开设一个大孔，孔的水力当量直径为管束当量直径的一半，一方面使进入管束流体的流速增加以加强冲刷管板二次侧表面，另一方面使低流速区集中在管束中心，有利于杂质的沉积，并使设在管巷中的排污管能有效地将泥渣吸出。
管束支承板结构的好坏直接影响SG的性能，并决定其是否安全可靠。项目设计了四叶梅花形孔管束支承板结构。
3．材料国产化设计和评定
该项目设计开展时，我国并未针对核电厂SG材料制定专门的材料标准，也没有可用于核电厂SG的成熟材料牌号，SG材料仍按照RCC-M规范相关要求执行。为此，项目组借鉴中国核动力研究设计院在反应堆压力容器和稳压器等设备上的国产化经验，结合国内外锻件厂实际生产状况，充分分析SG材料本身的特点和机理，提出了材料国产化的相关设计要求。
项目组进行了国内外锻件厂锻造技术的广泛调研，并与国内锻造厂进行深入沟通、分析和研究，基于RCC-M材料牌号的基础制定了国产化材料的技术要求。设计上，对传热管、下封头、管板、下筒体、锥筒体、上封头、一二次侧接管安全端、给水接管和二次侧人孔座等提出首件评定的要求，确保关键复杂材料的制造质量和质量稳定性。与二重、上重等锻件厂开展了下封头、管板、筒体、上封头等锻件的评定工作。不仅解决了该型SG材料的国产化供货问题，而且对材料特性有了更深刻的认识，为后续制定我国核电用材料标准提供了大量的数据资料。
三、应用情况
该型蒸汽发生器的设计在国内获得了广泛的使用，由中国核动力研究设计院设计的同型蒸汽发生器（多达42台）已应用于多个核电工程项目。结合项目蒸汽发生器的设计技术，中国核动力研究设计院完成了自主三代核电堆型ACP1000中ZH-65型蒸汽发生器的研发，并已用于福清核电站5/6号机组和出口巴斯坦K2//K3项目。目前已完成设备的采购合同签订，已开始设备的生产制造。
四、社会经济效益
目前国内在建和待批的核电项目绝大部分采用百万千瓦级压水堆型，蒸汽发生器作为其中的关键复杂设备之一，其自主化设计的实现对提升我国核电站自主化设计能力和建造水平以及核电站整体国产化率均具有重要意义。自主化设计降低了设备采购和核电站建造成本，减少了核电站采购、安装、建造、调试等接口及接口处理时间，提高了工程建造效率，缩短了核电站建造周期，有力地保障了核电站的及时发电。该项目的设计充分结合国内生产制造能力，拉动了相关设备制造和材料等行业的发展，促进了我国材料生产和装备制造业能力的进一步提升。
