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铁流:中国领跑高温气冷堆商用 是长期积累的成果  

2017-01-07 08:37:04|  分类: 科技 |  标签: |举报 |字号 订阅

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铁流:中国领跑高温气冷堆商用 是长期积累的成果

  • 铁流

    铁流科技、金融观察者

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2017-01-05 16:52:44字号:A- A A+来源:观察者网
关键字:高温气冷堆核电

【文/ 观察者网专栏作者 铁流】

上月,60万千瓦高温气冷堆核电站技术方案在清华大学发布。该项目标志着我国高温气冷堆技术从“863”时期的“跟跑”位置,到示范工程阶段的“领跑”位置,正式跨入商用阶段。建成后将成为国际首个商用高温气冷堆核电站。那么,高温气冷堆有何神奇之处?又对我们的生活有怎样的改变呢?

什么是高温气冷堆

气冷堆是国际上反应堆发展中最早的一种堆型,这种反应堆初期被用来生产军用钚,20世纪50年代中期以后发展成为商用核电站的堆型之一。气冷堆的发展大致可以分为四个阶段:即早期气冷堆(Magnox)、改进型气冷堆(AGR)、高温气冷堆(HTGR)和模块式高温气冷堆(MHTGR)。

早期气冷堆(Magnox)的代表是英国1956年卡德霍尔(Galder Hall)核电站,单堆电功率50 MW、总电功率200 MW,是人类历史上第一个商业化应用的核电站,采用石墨做慢化剂,CO2气体为冷却剂,燃料元件为天然铀燃料和镁合金包壳。不过,早期气冷堆存在一些缺点,比如燃料装量大,燃耗浅,大型鼓风机耗功多,堆的体积很大,建造费用和发电成本都比较高。而且二氧化碳气体的温度只能达到 400℃左右,限制了反应堆热工性能的进一步提高。

改进型气冷堆(AGR)采用石墨为慢化剂,CO2气体作冷却剂,采用低浓铀和不锈钢包壳燃料元件,以提高功率密度,使改进型气冷堆具有体积小,效率高的特点。这种新燃料元件允许堆芯出口CO2温度达到670 ℃。

高温气冷堆(HTGR)采用低浓铀或高浓铀加钍作核燃料,石墨作为慢化剂,氦气作为冷却剂,全陶瓷型包覆颗粒燃料元件,堆芯出口氦气温度可达到950 ℃甚至更高。反应堆燃料装量少,转换比高,燃耗深,在利用核燃料上是一种较好的堆型。像英国的“龙”、德国的AVR,美国桃花谷反应堆等都属于这一类型。

模块式高温气冷堆(MHTGR)的出现是因为三哩岛和切尔诺贝利核电厂事故之后,美国推出了先进堆型发展计划,使得模块式高温气冷堆成为了高温气冷堆的主要发展方向。1981年德国西门子Interatom首先推出模块式球床高温气冷堆的设计概念,推出电功率80MW的HTR-Module,小型化和固有安全性为其特征,现已成为国际高温气冷堆技术发展的主要方向。我国这次商用的60万千瓦高温气冷堆就属于最新式的模块式高温气冷堆。

中国高温气冷堆到底是不是第四代反应堆

2002年核能系统国际论坛(GIF)确立了6种有前途的第四代核电反应堆作为重点研发对象,包括3种快中子堆——钠冷快堆(SFR)、铅冷快堆(LFR)和气冷快堆(GFR),以及3种热中子堆——超临界水冷堆、超高温气冷堆(VHTR)和熔盐堆(MSR)。2014年,又公布了一份新的《第四代核能系统技术路线图》,对2002年路线图的相关内容进行了更新,并明确了未来10年内第四代核电反应堆研发工作的重点。

严格的讲,核能系统国际论坛定义的六种四代堆之一的是超高温气冷堆(VHTR),出口温度要达到1000摄氏度。而中国高温气冷堆的出口温度为750—900(二代改进型气冷堆出口温度650)。按照这个标准,清华的高温气冷堆(HTR)是不算四代核电反应堆的。想必也是因此,清华和华能对外的宣传是“世界首台具备第四代核能系统安全特性的商用核电机组”——并没有直说这就是四代堆,意思是安全性达到了VHTR的标准,从而避开了出口温度的问题。

不过,我国核电界也有很多人认为,这个1000摄氏度其实是当年美日为了配合工业制氢产业提出来的,从发电的角度出口温度的提高并不会带来本质变化。再加上商业和对大众宣传的需要,现在提到HTR的时候也自称四代堆了。

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60万千瓦高温气冷堆核电站厂房立体剖面图

中国高温气冷堆具有的优点和不足

中国高温气冷堆具有非常好的固有安全性,共有四道放射性实体屏障。由于不会产生燃料大范围损坏、堆芯熔化的严重事故情景,所以HTR不专门设置三代轻水堆都有的严重事故管理规程,甚至可以取消厂外应急措施(这个非常重要)。

除了上述优点,由于高温气冷堆的蒸汽参数与燃煤电厂一致,高温气冷堆核电站的常规岛可以很好地利用我国现有成熟的火电技术和建造能力,具有较好的经济性,并对改变中国以火力发电为主的现状有积极作用。不久前,雾霾再度席卷神州大好河山,如果能以核电替代火电,那么将对降低大气污染,减少雾霾起到一定促进作用。此外,高温气冷堆还能为核能制氢、冶金、化工等领域提供大量的高温工艺热。

不过,高温气冷堆也并非什么都好。从安全性上讲,由于轻水堆经过几十年来的使用,积累了上万堆年的机组运行经验,而高温气冷堆才刚刚开始商用,除固有安全性外,实际运行过程中的可靠性和安全性还需要长期验证。核电是个为了安全极端保守的行业,不确定性就是最大的缺点。

从经济性上讲,由于高温气冷堆堆芯功率密度低,单堆占地面积大,而提升功率与堆芯功率密度低与固有安全性存在矛盾。且高温气冷堆的燃料制造、回收和各种设备的制造与传统核电产业没有传承,要新建一套体系,因此与传统核电机组比经济性优势并不明显。

因此,在现阶段,高温气冷堆还是不宜与沸水堆、压水堆等成熟核电堆型开展直接的商业竞争的。高温气冷堆和超高温气冷堆目前最好的发展方向之一是与核电反应堆实现差异化竞争,进军需要高温工艺热源的工业领域。

在军用动力方面,由于压水堆在结构上非常紧凑,最初就是作为军用动力而开发,然后才转为民用发电的(美国第一座核电厂Shippingport的堆芯就来自一个取消建造计划的核动力航母,因此采用的是U-235达93%的高富集度燃料)。

所以,高温气冷堆在很长一段时间无法与压水堆在军用动力领域竞争。不过,如果更换了石墨慢化剂并实现氦气直接循环,那在未来还是有希望上艇上舰的,相关工作就不便透露了。

总而言之,如果高温气冷堆能在将来的使用和验证中,将理论上的安全性转变为实践中的安全性,在经济上就能和传统成熟堆型竞争,毕竟省去厂外应急是一大笔钱。而在核电领域,安全性和经济性往往是矛盾的,高温气冷堆能够很好的平衡两者,这就弥足珍贵了。

长期技术积累的成果

必须指出的是,中国高温气冷堆技术突破也并非一日之功,而是数十年的技术积累和对国外技术的消化吸收。在国家863计划中,清华大学在中核集团的支持下设计建造了10兆瓦实验堆,2003年1月7日实现并网发电。2012年12月9日,由中核工业建承的山东石岛湾高温气冷堆示范工程开工建设,而本次发布的60万千瓦设计方案,是在山东荣成的示范工程基础上设计的。

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山东石岛湾高温气冷堆示范工程建成后假想图

更关键的是,通过几十年如一日的努力,中国完全掌握了高温气冷堆的关键技术:反应堆压力容器、蒸汽发生器等主设备已完全国产化,在陶瓷包覆颗粒球形燃料元件和电磁轴承主氦风机等方面更是实现全球首创。

2014年8月,中国成功研制高温气冷堆核电站示范工程的核心装备之一主氦风机试验样机——主氦风机将氦气加压后作为冷却剂,将反应堆堆芯产生的热量带走,使承压壳不承受高温,这就有效提升了安全性。这台主氦风机问世时在当时国际上还没有容量相当、结构相似的产品。2014年9月,拥有完全自主知识产权的高温气冷堆核电站示范工程燃料元件生产线已完成安装,可每年可提供约30万个球形燃料元件。

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另外,在燃料元件上,中国和美国、日本走了不同的技术路线。高温气冷堆按燃料元件的形状可分为两种:球床型高温气冷堆、棱柱型高温气冷堆。棱柱型高温气冷堆采用棱柱形燃料元件,如美国圣·符伦堡核电厂、日本HTTR试验堆。棱柱燃料因为有固定形状,避免了球床燃料的内部状态(如高温热点)难以探测、难以预测、难以控制的问题,但棱柱燃料也有在高温下可能变形肿胀从而堵塞流道的问题。德国、南非和我国的高温气冷堆则为球床型,具有不停堆换料的独特优点。

必须说明的是,技术路线的选择往往是综合考虑下的反复权衡,两种技术路线各有利弊,并无高下之分,不过,就球床型高温气冷堆研究和商用而言,在德国、南非没有取得太大进展或者放弃研发的情况下,中国是唯一坚持下来且实现商用的。

国外高温气冷堆属于研究和试验堆性质

虽然美国、俄罗斯、日本、法国、德国等国家都在发展,或曾经致力于发展高温气冷堆,但目前都还属于研究和试验堆性质,还没有进入商业化应用阶段——虽然美国曾经建成过桃花谷电站是试验电站, 但已于1974年关闭。其后的圣符伦堡电站在运行过程中更是出现过氮气出口温度不稳、氮风机所采用的运转不正常这些问题,电站的负荷因子只能达50%左右。

之后美国通用公司与俄罗斯原子能部、法国的法玛通公司、日本富士电子公司合作,进行MHTGR氦透平直接循环研究,但美国和日本对于高温气冷堆发电不怎么关心,商用的目的也是着眼于制氢,而且离商业化应用还有一定距离。

相比之下,德国在这方面的研究堪称悲剧。AVR反应堆在1973年发生放射性氚泄漏量大幅增加;1976年因燃料温度不稳定、局部温度高于最高额定温度,使回路受到严重的放射性同位素污染;1978年蒸汽发生器泄漏,反应器进水,并出现了后续操作失误;1982年120升油从氦气循环中流入主冷却回路;1984年发现,由于设计错误,反应堆堆芯中的进料装置不对称,导致荷载不平衡;1986年反应堆燃料球卡住、破损,造成辐射外泄;1987年安全壳的排水阀漏水导致辐射外泄……之后的THTR 300自建成后也是问题不断……加上近年来德国弃核——德国政府曾经宣布将于2022年前关闭所有核电厂,德国高温气冷堆的商用恐怕是遥遥无期了。

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