高溫氣冷堆在未來的發(fā)展趨勢

高溫氣冷堆在未來的發(fā)展趨勢

一.高溫氣冷堆trtra自1954年前蘇聯(lián)成立第一個5000公里的實驗核計算機站以來，科學(xué)家們根據(jù)各自的國情對不同的堆棧形式進行了大量研究。經(jīng)過半個多世紀(jì)的研發(fā)和實踐,一些落后堆型逐步被淘汰,壓水堆(PWR)、沸水堆(BWR)和CANDU型重水堆已發(fā)展成為動力堆的主流堆型。然而,人們對上述堆型的安全性方面仍生存疑慮,尤其是自1979年4月美國三哩島和1986年4月原蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故后,在反應(yīng)堆設(shè)計中提出了一個關(guān)鍵問題就是如何實現(xiàn)核反應(yīng)堆的固有安全性。即在任何工況條件下,包括人為違章操作的情況下都能維持反應(yīng)堆處于安全狀態(tài),不會發(fā)生核泄漏事故危及環(huán)境安全。高溫氣冷堆就是在這種背景下發(fā)展起來的新的先進堆型。它是目前國際核能領(lǐng)域中六種第四代核能系統(tǒng)的首選堆型之一。高溫氣冷堆的研發(fā)始于上個世紀(jì)60年代。1967年底原聯(lián)邦德國的BBC/HRB公司在Juelich合作建成世界上第一座高溫氣冷實驗堆AVR。后來在AVR成功運行的基礎(chǔ)上由BBC/HRB/HKG公司在Hamm-Uentrop合作建設(shè)鈾-釷循環(huán)(U-Th)的商業(yè)示范高溫氣冷堆核電站THTR300。關(guān)于AVR與THTR300的主要技術(shù)參數(shù)列示如下:THTR300于1987年6月建成投產(chǎn)后頭兩年平均年負荷因子高達99%,創(chuàng)造了驕人的業(yè)績。但由于示范堆設(shè)計上的缺陷,堆內(nèi)石墨構(gòu)件出現(xiàn)松動而仃堆檢修。后因當(dāng)時歐洲反核勢力的強烈反對,經(jīng)議會立法于1989年10月被迫關(guān)閉,高溫氣冷堆的開發(fā)應(yīng)用從此妖折。二.中國最大的高溫氣冷堆項目—開發(fā)現(xiàn)狀經(jīng)過近20多年的研究開發(fā),目前高溫氣冷堆已經(jīng)步入商業(yè)應(yīng)用階段。其中,南非Eskom電力公司引用德國的專業(yè)技術(shù)開發(fā)采用直接循環(huán)氣輪發(fā)電機的球床模塊堆(PBMR)。電功率110Mwe,熱效率45%,燃料平均U235濃縮度5-6%,燃耗為80000MWd/tU(最終目標(biāo)燃耗為200000MWd/tU,約為目前壓水堆平均燃耗的4-5倍),建設(shè)費用(對于10-14臺機組)預(yù)計每千瓦1000美元,發(fā)電成本1.6美分/kwh。第一座原型堆于2002年開始建造,計劃2006年投入商業(yè)運行。我國高溫氣冷堆作為新能源重點攻關(guān)項目列入863計劃并于1992年經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)立項,由清華大學(xué)核能院作為項目實施主體,負責(zé)10MWt高溫氣冷實驗堆一期工程的研究開發(fā),并于2000年12月成功建成達到臨界,2003年1月達到滿功率運行并網(wǎng)發(fā)電。隨后,清華大學(xué)核能院又適時提出高溫氣冷實驗堆后續(xù)研究項目(二期工程):高溫氣冷氦氣透平發(fā)電系統(tǒng)被批準(zhǔn)列為“十五”期間能源領(lǐng)域重點攻關(guān)項目納入“863計劃”。經(jīng)過兩年多的努力,該項目在幾個關(guān)鍵技術(shù)上已經(jīng)取得重大突破和進展。在10MWt高溫氣冷堆成功運行后,已經(jīng)開始進行產(chǎn)業(yè)化、商用化開發(fā)。2004年12月中國華能集團、中國核工業(yè)建設(shè)集團、清華大學(xué)在京正式簽訂《關(guān)于共同合作建設(shè)高溫氣冷堆核電示范工程投資協(xié)議》,由三方共同組建核電有限公司,負責(zé)建設(shè)、運營20萬千瓦高溫氣冷堆商用示范核電站。目前,清華核能院已經(jīng)完成195兆瓦電功率模塊化高溫氣冷堆(HTR-PM)的方案設(shè)計,計劃2010年投入商業(yè)運行。HTR-PM的主要任務(wù)是驗證大容量的高溫氣冷堆技術(shù)的成熟性和經(jīng)濟性。今后當(dāng)氦氣透平技術(shù)成熟后,HTR-PM核島可以直接與氦透平連接,以實現(xiàn)更高的發(fā)電效率及核能高溫水解制氫。三.設(shè)計原則和技術(shù)特點1.球床高溫氣冷堆堆堆芯的設(shè)計高溫氣冷堆采用的是由耐高溫的陶瓷型涂敷顆粒燃料組成的球形燃料元件,以化學(xué)惰性和熱工性能良好的氦氣(He)作為冷卻劑,耐高溫的石墨作為慢化劑和堆芯結(jié)構(gòu)材料。其中,涂覆顆粒燃料為直徑只有0.9mm的微型小球,其核芯為直徑0.5mm的UO2的顆粒,UO2顆粒外包覆了一層低密度熱介碳,兩層高密度熱介碳和一層碳化硅。包覆層將UO2顆粒中產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物充分地阻留在包覆顆粒內(nèi),并能承受氣體裂變產(chǎn)物產(chǎn)生的內(nèi)壓力。球床高溫氣冷堆堆芯由球形燃料元件和石墨反射層組成。直徑約60mm的球形燃料元件從堆芯頂部連續(xù)裝入堆芯,同時從堆芯底部卸料管連續(xù)卸出燃料元件。卸出的燃料元件如果未達到預(yù)定的燃耗深度,則再送回堆內(nèi)使用,使每個燃料元件的燃耗深度基本一致,從而實現(xiàn)了不仃堆裝卸料。這樣既大大提高了電站的負荷因子,又無需儲備補償燃耗所需的反應(yīng)性,即后備反應(yīng)性小(<1.0%),從而大大提高了反應(yīng)堆的安全性。2.主要技術(shù)特點1高溫氣冷堆堆芯安全特性即在任何事故情況下,包括喪失所有冷卻的情況下,不采取任何人為的和機器的干預(yù),反應(yīng)堆都能保持安全狀態(tài),即所謂的“固有安全性”。由于球床堆芯功率密度低,并具有較高的溫度負反應(yīng)性效應(yīng),在所有運行和事故工況下,堆芯燃料元件的最高溫度不會超過1600℃。實驗證明在1600℃以下致密的炭化硅包覆層仍可保持其完整性,能使氣態(tài)和金屬的放射性裂變產(chǎn)物阻留在燃料顆粒內(nèi)。在安全防護上采取多屏障設(shè)計阻止放射性物質(zhì)向環(huán)境釋放。即使在一回路冷卻劑失冷失壓的事故工況下,其余熱仍可完全借助熱傳導(dǎo)、熱輻射和自然對流等方式非能動地載出,使堆芯自然冷卻。這種非能動式的余熱排出系統(tǒng)設(shè)計使得高溫氣冷堆具有固有安全特性。并且,這已經(jīng)在2004年9月30日清華大學(xué)核能院對10MWt高溫氣冷實驗堆進行的固有安全性實驗中得到了驗證。2高溫氣冷堆發(fā)電效率高溫氣冷堆采用超臨界透平發(fā)電系統(tǒng)和不停堆裝卸料技術(shù),發(fā)電效率、負荷因子高,經(jīng)濟性好。高溫氣冷商用堆發(fā)電熱效率可達43~47%(壓水堆一般為33~35%)。根據(jù)南非國家電力公司(ESKOM)提供的117Mwe高溫氣冷商用堆PBMR設(shè)計性能參數(shù),其設(shè)備年利用率可達98.6%(壓水堆一般為80%)。3我國模板積累比和新建費用的確定高溫氣冷堆系統(tǒng)簡單,采用模塊化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,可大幅縮短工期并適合群堆建設(shè),降低后續(xù)工程的建設(shè)費用。據(jù)南非ESKOM電力公司提供的PBMR商用堆群堆建設(shè)費用(1000美元/千瓦)和國內(nèi)媒體關(guān)于我國第一座高溫氣冷堆商用示范核電站建設(shè)投資的報道,筆者認為,模塊化高溫氣冷堆每千瓦比投資將會低于壓水堆。另一方面,更高的熱效率、高負荷因子和核燃料的高燃耗(約為壓水堆的一倍),可降低核電站的折舊成本和燃料成本,大幅提高了核電站的經(jīng)濟性。由于其固有安全性,允許建在靠近城市人口較為稠密的地區(qū)。這為我省內(nèi)陸行將退役的火電廠改建提供了可能性(其可行性尚待論證)。4作為高溫、高溫、液化熱利用原料的高效低熱煤炭工法一次工質(zhì)溫度可達700~1000℃是高溫氣冷堆的一大特點和技術(shù)優(yōu)勢,它不僅可用于高效率發(fā)電,還可以作為高溫工藝熱的核熱源,用于煤的氣化、液化等工藝。尤其是高溫堆可以發(fā)揮其特有的優(yōu)勢,為制氫工業(yè)提供清潔、廉價的核熱源,形成無污染、無排放的能源鏈。5我國的鈾礦資源高溫堆可以采用鈾釷循環(huán),把非裂變材料釷轉(zhuǎn)化成易裂變材料U233。好的堆芯設(shè)計可以做到核燃料轉(zhuǎn)化比大于1.0,實現(xiàn)核燃料的增殖。我國的鈾礦資源并不豐富,貧礦多,富礦少;中小礦多,大礦少。然而,我國是世界上少有的幾個釷資源非常豐富的國家。因此,從核能可持續(xù)發(fā)展所需的燃料供應(yīng)體系的戰(zhàn)略研究出發(fā),開發(fā)高溫氣冷堆對于我國核能工業(yè)長期可持續(xù)發(fā)展具有深遠的意義。四.關(guān)于績效評估1.式球床高溫氣冷堆ht-pm10兆瓦高溫氣冷實驗堆是由我國自主研究開發(fā)、自主設(shè)計、自主制造、自主建設(shè)、自主運行的世界上第一座具有非能動安全特性的模塊式球床高溫氣冷堆,各項技術(shù)指標(biāo)均達到世界先進水平,為商業(yè)化開發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)。20萬千瓦級高溫氣冷商用示范堆(HTR-PM)投入商業(yè)運行后,隨著設(shè)計和制造技術(shù)的不斷完善,除了其獨特的固有安全特性外,在高(熱)效率、高負荷因子和低造價、低發(fā)電成本等方面將充分展現(xiàn)其明顯的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟優(yōu)勢。因此,高溫氣冷堆將成為我國未來核電發(fā)展的一個重要堆型。2.氣冷堆與高溫堆型在石油、天然氣日益緊缺的今天,用氫做燃料是被科學(xué)家們普遍看好的清潔能源。但由于制氫所需要的巨大能量而使其成本太高,而高溫氣冷堆能以很