nhr-200一体化核供热堆技术特征及安全特性

nhr-200一体化核供热堆技术特征及安全特性

低温核热堆是由清政府独立开发的，具有良好的固有和安全，是先进的壳式轻水层。一体化核供热堆Ⅰ型(NHR-Ⅰ)的目标是为国内区域集中供热提供热源。国内集中供热热网的标准是120/70℃,因此,200MW一体化核供热堆(NHR-200)的设计目标是在三回路提供120/70℃热水,以满足供热的需求。随着国内供热范围的扩大、环境保护要求的提高、供热体制改革,为一体化核供热堆提出了新的要求。同时,我国水资源短缺已成为制约社会进步和经济发展的瓶颈,以核供热堆为热源进行海水淡化是集能源、环境和水资源为一体的综合应用,是解决沿海城市资源性缺水的途径之一。根据市场的发展和需求,有必要开发第二代一体化核供热堆(NHR-Ⅱ)。因此,在NHR-200的基础上,清华大学拟开发200MW一体化核供热堆Ⅱ型(NHR/Ⅱ-200)。1固有安全特性200MW一体化核供热堆采用一体化、全功率自然循环、自稳压、内置式控制棒驱动机构、非能动安全系统等先进技术,使这种反应堆不仅具有优异的固有安全特性,且系统简化、易建造、运行维护方便。其固有安全特性使NHR-200可建造在城市附近。NHR/Ⅱ-200保持了NHR-200的主要技术特征和安全特性。1.1nrt/-200的主要设计参数NHR/Ⅱ-200的反应堆及其一回路系统,包括主换热器,一体化布置在反应堆压力壳中。堆芯位于压力壳的底部中心,主换热器布置在上升通道和压力壳间的环形空间,主回路没有循环泵,冷却剂依靠压力壳内热区和冷区的密度差形成自然循环,上升通道是为了提高一回路的自然循环能力。系统压力由上部的气-汽空间维持,水蒸气分压和氮气分压共同构成主回路系统的运行压力。NHR/Ⅱ-200采用三重回路的输热系统设计,以保证新蒸汽不被放射性物质污染。反应堆堆芯产生的热量首先通过自然循环输送到主换热器,主换热器将热量传给中间回路介质。然后通过中间回路的强迫循环,将热量从主换热器二次侧输送到蒸汽发生器一次侧,再通过蒸汽发生器传给二次侧,产生蒸汽供给海水淡化工艺系统或作为工业蒸汽。反应堆一回路的压力为7.0MPa,中间回路为7.8MPa,新蒸汽为1.6MPa的饱和蒸汽。中间回路的设置不仅在物理空间上实现一回路放射性水与新蒸汽的隔离,且在发生泄漏的情况下依靠低-高-低的压力设计原则,保证新蒸汽不被放射性物质污染。NHR/Ⅱ-200的主要设计参数列于表1。此外,NHR/Ⅱ-200还设有为数不多的安全相关系统和辅助工艺系统,如余热排出系统、注硼系统、控制棒水力驱动系统、反应堆冷却剂处理系统、安全泄放系统和设备冷却水系统等。1.2rh-200安全特性1.2.1重力注硼系统核供热堆设计有两套独立的、工作原理不同的系统,即控制棒系统和注硼系统用以停闭反应堆。控制棒采用水力驱动,驱动方式按“失效安全”原则设计。控制棒插入堆芯实现停堆是靠自身重力来驱动的,体现了被动安全特性。注硼系统作为备用的停堆手段,采用重力注硼方式,无需转动机械和动力电源,具有很高的可靠性。这两套被动安全的停堆系统均能在需要时自动地、长期地维持反应堆处于冷态次临界状态。因此,停堆系统具有高度可靠的固有安全性。1.2.2堆芯以下部位穿管核供热堆主回路采用一体化布置方案,整个主回路均布置在1个压力壳内,且压力壳堆芯以下部位穿管,所有的主回路水的引出管全部集中在压力壳的上部,且口径很小,避免了反应堆大量失水的事故。事故分析表明,在设计基准事故和超设计基准事故工况下,核供热堆均能保证堆芯淹没在水中,不会发生堆芯裸露,保证堆芯有良好的冷却。1.2.3空气冷却器的制备核供热堆的余热排出系统由三重自然回路组成。主回路通过自然循环将堆芯产生的余热输送到主换热器,并传至主换热器二次侧,然后通过自然循环将传来的热量输送到空气冷却器,由空气冷却器通过自然对流将热量散入大气。余热排出系统的整个传热体系均不需外加动力源,也无转动部件,只要堆芯在继续发热,便可被动安全地、长期可靠地将余热排出,以保证反应堆的安全。1.2.4放射源的有效隔离核供热堆采用纵深设防,采取设置多层实体屏障及压力屏障等措施防止放射性物质外泄。2nhr200的应用前景2.1海水处理技术和市场需求1蒸发器的采用带有热压缩的低温多效蒸发(MED-TVC)工艺的技术特点是能够利用蒸汽的压力能。热压缩器(TVC)可利用新蒸汽将压力较低的乏蒸汽增压到较高压力,使蒸汽的能量得到有效利用。采用NHR/Ⅱ-200与MED-TVC相配套,蒸发器全部采用带有热压缩的多效蒸馏,以MED-TVC方式运行。与NHR-200相比,在保持造水比GOR不变的条件下,可大幅降低海水淡化设备的投资费用,进而降低产水成本。MED海水淡化所产淡化水的总固体含量(TDS)小于20mg/kg,产水品质高。2反渗透海水淡化系统的能量回收在海水反渗透淡化系统中,动力成本占产水总成本的比例很大,其中主要用于大功率的海水高压泵。当核反应堆与反渗透海水淡化工艺系统相耦合时,核供热堆产生的压力为1.6MPa的饱和蒸汽能够推动汽轮机,或发电,或直接拖动反渗透海水淡化系统的高压泵。汽轮机的乏蒸汽在凝汽器中冷凝成为凝结水,经加热和除氧后重新返回蒸汽发生器。凝汽器的冷却海水是经过预处理的海水,经凝汽器加热后,海水温度上升,升温后的海水作为给水进入反渗透海水淡化系统。因反渗透海水淡化系统的给水温度每升高1℃,系统的产水量将提高约2%~3%,因而利用汽轮机乏蒸汽的热量预热反渗透海水淡化系统的给水,有利于提高海水淡化产水量。由此可见,本方案充分利用了核反应堆产生的能量,从而大幅提高了整个核能海水淡化系统的能量利用率。反渗透工艺所产淡化水TDS小于500mg/kg,适于饮用或一般工业用。3海水淡化技术我国沿海地区的水资源短缺已成为制约社会进步和经济发展的瓶颈,同时也面临着可持续发展和节能减排方面的巨大压力。《海水利用专项规划》中已将核供热堆核能海水淡化项目列为重点项目,且将核能海水淡化的技术研究列为重点研究技术。海水淡化水水质好,供水稳定。随着技术的进步,海水淡化成本将逐步下降,其经济性将逐步提高。根据规划,2020年我国海水淡化能力将达250~300万m3/d,市场投入将达120亿元,发展空间巨大。2.2单位面积运行效率及单位数量我国工业锅炉主要用于工厂动力、建筑采暖等领域,每年耗原煤约4亿t。燃煤工业锅炉效率低,污染重,节能潜力巨大。锅炉设计效率为72%~80%,平均运行效率约60%~65%;每年排放烟尘约200万t,二氧化硫约600万t,是仅次于火电厂的第二大煤烟型污染源。在我国推进燃煤锅炉节能改造和环保改造的同时,利用核供热堆生产工业蒸汽代替部分工业锅炉,则可有效减少城市污染物的排放量,优化城市能源结构。根据工业蒸汽的市场需求,建设200MW的工业用核能供热厂的市场容量巨大。2.3用户需求变化时的堆场利用在一天24h中,工业蒸汽的用量是分时段规律变化的,而淡化水的需求量也有高峰和低谷。若核供热堆单纯用于海水淡化或工业蒸汽,均可能由于用户需求的变化而降低核供热堆的利用率。汽水联供即为将核供热堆产生的蒸汽,一部分用于海水淡化,一部分用于工业蒸汽。根据用户需要进行比例分配,并有机地结合。实行汽水联供,