高温气冷堆在未来的发展趋势

高温气冷堆在未来的发展趋势

一.高温气冷堆trtra自1954年前苏联成立第一个5000公里的实验核计算机站以来，科学家们根据各自的国情对不同的堆栈形式进行了大量研究。经过半个多世纪的研发和实践,一些落后堆型逐步被淘汰,压水堆(PWR)、沸水堆(BWR)和CANDU型重水堆已发展成为动力堆的主流堆型。然而,人们对上述堆型的安全性方面仍生存疑虑,尤其是自1979年4月美国三哩岛和1986年4月原苏联切尔诺贝利核事故后,在反应堆设计中提出了一个关键问题就是如何实现核反应堆的固有安全性。即在任何工况条件下,包括人为违章操作的情况下都能维持反应堆处于安全状态,不会发生核泄漏事故危及环境安全。高温气冷堆就是在这种背景下发展起来的新的先进堆型。它是目前国际核能领域中六种第四代核能系统的首选堆型之一。高温气冷堆的研发始于上个世纪60年代。1967年底原联邦德国的BBC/HRB公司在Juelich合作建成世界上第一座高温气冷实验堆AVR。后来在AVR成功运行的基础上由BBC/HRB/HKG公司在Hamm-Uentrop合作建设铀-钍循环(U-Th)的商业示范高温气冷堆核电站THTR300。关于AVR与THTR300的主要技术参数列示如下:THTR300于1987年6月建成投产后头两年平均年负荷因子高达99%,创造了骄人的业绩。但由于示范堆设计上的缺陷,堆内石墨构件出现松动而仃堆检修。后因当时欧洲反核势力的强烈反对,经议会立法于1989年10月被迫关闭,高温气冷堆的开发应用从此妖折。二.中国最大的高温气冷堆项目—开发现状经过近20多年的研究开发,目前高温气冷堆已经步入商业应用阶段。其中,南非Eskom电力公司引用德国的专业技术开发采用直接循环气轮发电机的球床模块堆(PBMR)。电功率110Mwe,热效率45%,燃料平均U235浓缩度5-6%,燃耗为80000MWd/tU(最终目标燃耗为200000MWd/tU,约为目前压水堆平均燃耗的4-5倍),建设费用(对于10-14台机组)预计每千瓦1000美元,发电成本1.6美分/kwh。第一座原型堆于2002年开始建造,计划2006年投入商业运行。我国高温气冷堆作为新能源重点攻关项目列入863计划并于1992年经国务院批准立项,由清华大学核能院作为项目实施主体,负责10MWt高温气冷实验堆一期工程的研究开发,并于2000年12月成功建成达到临界,2003年1月达到满功率运行并网发电。随后,清华大学核能院又适时提出高温气冷实验堆后续研究项目(二期工程):高温气冷氦气透平发电系统被批准列为“十五”期间能源领域重点攻关项目纳入“863计划”。经过两年多的努力,该项目在几个关键技术上已经取得重大突破和进展。在10MWt高温气冷堆成功运行后,已经开始进行产业化、商用化开发。2004年12月中国华能集团、中国核工业建设集团、清华大学在京正式签订《关于共同合作建设高温气冷堆核电示范工程投资协议》,由三方共同组建核电有限公司,负责建设、运营20万千瓦高温气冷堆商用示范核电站。目前,清华核能院已经完成195兆瓦电功率模块化高温气冷堆(HTR-PM)的方案设计,计划2010年投入商业运行。HTR-PM的主要任务是验证大容量的高温气冷堆技术的成熟性和经济性。今后当氦气透平技术成熟后,HTR-PM核岛可以直接与氦透平连接,以实现更高的发电效率及核能高温水解制氢。三.设计原则和技术特点1.球床高温气冷堆堆堆芯的设计高温气冷堆采用的是由耐高温的陶瓷型涂敷颗粒燃料组成的球形燃料元件,以化学惰性和热工性能良好的氦气(He)作为冷却剂,耐高温的石墨作为慢化剂和堆芯结构材料。其中,涂覆颗粒燃料为直径只有0.9mm的微型小球,其核芯为直径0.5mm的UO2的颗粒,UO2颗粒外包覆了一层低密度热介碳,两层高密度热介碳和一层碳化硅。包覆层将UO2颗粒中产生的裂变产物充分地阻留在包覆颗粒内,并能承受气体裂变产物产生的内压力。球床高温气冷堆堆芯由球形燃料元件和石墨反射层组成。直径约60mm的球形燃料元件从堆芯顶部连续装入堆芯,同时从堆芯底部卸料管连续卸出燃料元件。卸出的燃料元件如果未达到预定的燃耗深度,则再送回堆内使用,使每个燃料元件的燃耗深度基本一致,从而实现了不仃堆装卸料。这样既大大提高了电站的负荷因子,又无需储备补偿燃耗所需的反应性,即后备反应性小(<1.0%),从而大大提高了反应堆的安全性。2.主要技术特点1高温气冷堆堆芯安全特性即在任何事故情况下,包括丧失所有冷却的情况下,不采取任何人为的和机器的干预,反应堆都能保持安全状态,即所谓的“固有安全性”。由于球床堆芯功率密度低,并具有较高的温度负反应性效应,在所有运行和事故工况下,堆芯燃料元件的最高温度不会超过1600℃。实验证明在1600℃以下致密的炭化硅包覆层仍可保持其完整性,能使气态和金属的放射性裂变产物阻留在燃料颗粒内。在安全防护上采取多屏障设计阻止放射性物质向环境释放。即使在一回路冷却剂失冷失压的事故工况下,其余热仍可完全借助热传导、热辐射和自然对流等方式非能动地载出,使堆芯自然冷却。这种非能动式的余热排出系统设计使得高温气冷堆具有固有安全特性。并且,这已经在2004年9月30日清华大学核能院对10MWt高温气冷实验堆进行的固有安全性实验中得到了验证。2高温气冷堆发电效率高温气冷堆采用超临界透平发电系统和不停堆装卸料技术,发电效率、负荷因子高,经济性好。高温气冷商用堆发电热效率可达43~47%(压水堆一般为33~35%)。根据南非国家电力公司(ESKOM)提供的117Mwe高温气冷商用堆PBMR设计性能参数,其设备年利用率可达98.6%(压水堆一般为80%)。3我国模板积累比和新建费用的确定高温气冷堆系统简单,采用模块化标准设计,可大幅缩短工期并适合群堆建设,降低后续工程的建设费用。据南非ESKOM电力公司提供的PBMR商用堆群堆建设费用(1000美元/千瓦)和国内媒体关于我国第一座高温气冷堆商用示范核电站建设投资的报道,笔者认为,模块化高温气冷堆每千瓦比投资将会低于压水堆。另一方面,更高的热效率、高负荷因子和核燃料的高燃耗(约为压水堆的一倍),可降低核电站的折旧成本和燃料成本,大幅提高了核电站的经济性。由于其固有安全性,允许建在靠近城市人口较为稠密的地区。这为我省内陆行将退役的火电厂改建提供了可能性(其可行性尚待论证)。4作为高温、高温、液化热利用原料的高效低热煤炭工法一次工质温度可达700~1000℃是高温气冷堆的一大特点和技术优势,它不仅可用于高效率发电,还可以作为高温工艺热的核热源,用于煤的气化、液化等工艺。尤其是高温堆可以发挥其特有的优势,为制氢工业提供清洁、廉价的核热源,形成无污染、无排放的能源链。5我国的铀矿资源高温堆可以采用铀钍循环,把非裂变材料钍转化成易裂变材料U233。好的堆芯设计可以做到核燃料转化比大于1.0,实现核燃料的增殖。我国的铀矿资源并不丰富,贫矿多,富矿少;中小矿多,大矿少。然而,我国是世界上少有的几个钍资源非常丰富的国家。因此,从核能可持续发展所需的燃料供应体系的战略研究出发,开发高温气冷堆对于我国核能工业长期可持续发展具有深远的意义。四.关于绩效评估1.式球床高温气冷堆ht-pm10兆瓦高温气冷实验堆是由我国自主研究开发、自主设计、自主制造、自主建设、自主运行的世界上第一座具有非能动安全特性的模块式球床高温气冷堆,各项技术指标均达到世界先进水平,为商业化开发奠定了坚实的基础。20万千瓦级高温气冷商用示范堆(HTR-PM)投入商业运行后,随着设计和制造技术的不断完善,除了其独特的固有安全特性外,在高(热)效率、高负荷因子和低造价、低发电成本等方面将充分展现其明显的技术优势和经济优势。因此,高温气冷堆将成为我国未来核电发展的一个重要堆型。2.气冷堆与高温堆型在石油、天然气日益紧缺的今天,用氢做燃料是被科学家们普遍看好的清洁能源。但由于制氢所需要的巨大能量而使其成本太高,而高温气冷堆能以很