第四代核反应堆

裴洋核能发电教研室

核反应堆物理基础8.3第四代核反应堆2观察者网综合《中国证券报》等媒体报道，国家科技重大专项高温气冷堆核电站示范工程（HTR-PM）的核心装备——主氦风机试验样机，已于本月初在上海电气集团鼓风机厂通过业内专家评审和鉴定。这是世界上第一台采用电磁轴承的大功率主氦风机，大量采用了创新技术，无论功率还是技术水平都处于世界领先水平，标志着我国已攻克世界高温气冷堆先进核电技术研发中的主要技术难关。在未来，这一主氦风机将被安装在位于山东省荣成市的华能石岛湾核电厂，该核电站将是世界第一座具有第四代核电特征的高温气冷堆核电站。四代核电介绍8.3第四代核反应堆3高温气冷堆具有温度高、用途广等特点，其固有特性决定此类堆型可以避免类似于日本福岛核事故的堆芯熔化、放射性大量释放的重大事故，曾被美国麻省理工大学专家认定为21世纪美国乃至世界核电站最有发展前景的堆型，国内外对此种技术都非常重视。在高温气冷堆研究领域，我国已经走在了世界的最前沿。4高温气冷堆核电站示范工程（HTR-PM，High-Temperaturegas-cooledReactorPebble-bedModule）是在“863”项目“IOMW高温气冷实验堆”的基础上发展的高温气冷堆核电站示范电站，也是《国家中长期科技发展规划纲要(2006~2020)》确定的16个重大专项之一。作为高温气冷堆的关键设备之一，主氦风机被安装在一回路内部蒸汽发生器输出端，是核反应堆一回路系统唯一的能动设备。5高温气冷堆核电站示范工程（HTR-PM，High-Temperaturegas-cooledReactorPebble-bedModule）是在“863”项目“IOMW高温气冷实验堆”的基础上发展的高温气冷堆核电站示范电站，也是《国家中长期科技发展规划纲要(2006~2020)》确定的16个重大专项之一。作为高温气冷堆的关键设备之一，主氦风机被安装在一回路内部蒸汽发生器输出端，是核反应堆一回路系统唯一的能动设备。6第四代核电反应堆Gen-IV的概念最先是在1999年6月召开的美国核学会年会上提出的。在当年11月该学会冬季年会上，进一步明确了发展Gen-IV的设想。美国、法国、日本、英国等核电发达国家在2000年组建了Gen-IV国际论坛，拟用2~3年的时间完成制定Gen-IV研发目标计划。这项计划总的目标是在2030年左右，向市场上提供能够很好解决核能经济性、安全性、废物处理和防止核扩散问题的Gen-IV。7Gen-IV国际论坛的成员国一致同意，在Gen-IV的研发中将遵循两个原则：创新性原则：国际上关于第四代核能系统的讨论中已经达成这样的共识，即第四代核能系统必须采取创新性的技术解决方案，否则无法有效解决核能目前面对的挑战。开放性原则：在目前的早期基础研究阶段，不要排除任何可能的解决方案，应向所有的技术开放。研发工作:8第四代核电反应堆超临界水冷堆（SCWR）SCWR是运行在水的临界点（374℃、22.1MPa）以上的高温、高压水冷堆。SCWR使用"超临界水"作冷却剂。这种水既具有液体性质又具有气体性质，热传导效率远远优于普通的"轻水"。用超临界水作冷却剂可使反应堆的热效率比目前的轻水堆热效率提高约1/3，还可以简化BOP。因为反应堆中的冷却剂不发生相变，而且直接与能量转换设备连接，因而可以大大简化BOP。SCWR的参考堆热功率1700MWt，运行压力25MPa，堆芯出口温度510℃（可以达到550℃）。使用氧化铀燃料。SCWR的非能动安全特性与简化沸水堆相似。SCWR既适用于热中子谱，也适用于快中子谱。9SCWR结合了两种成熟技术：轻水反应堆技术和超临界燃煤电厂技术。由于系统简化和热效率高（净效率达44%），在输出功率相同的条件下，超临界水冷堆只有一般反应堆的一半大小，预计建造成本仅$900/kW。发电费用可望降低30%，仅为$0.029/kWh。因此，SCWR在经济上有极大的竞争力。SCWR主要是设计用于发电的，也可用于锕系元素管理。其堆芯设计有两种：热谱或快谱。后者采用快堆的闭式燃料循环。10第四代核电反应堆超常高温气冷堆系统（VHTR）VHTR是高温气冷堆的进一步发展，采用石墨慢化、氦气冷却、铀燃料一次通过循环方式。其燃料温度达1800℃，冷却剂出口温度可达1500℃。VHTR具有良好的非能动安全特性，热效率超过50%，易于模块化，经济上竞争力强。11VHTR以1000℃的堆芯出口温度供热，这种热能用于如制氢或为石化和其它工业提供工艺热。参考堆的热功率为600MW，堆芯通过与其相连的一个中间热交换器释放工艺热。反应堆芯可以是像正在日本运行的HTTR那样的棱柱形块堆芯，或者是像正在我国运行的HTR-10那样的球床堆芯。VHTR制氢能有效地向碘－硫热化学工艺供热。VHTR保持了高温气冷堆具有的良好安全特性，同时又是一个高效系统。它可以向高温、高耗能和不使用电能的工艺过程提供广谱热量，还可以与发电设备组合以满足热电联产的需要。该系统还具有采用铀/钚燃料循环的灵活性，产生的核废料极少。12VHTR技术上有待解决的问题：在这种超常高温下，铯和银迁徙能力的增加可能会使得碳化硅包覆层不足以限制它们，所以需要进行新的燃料和材料设计，以满足下述条件：1.堆芯出口温度可达1000℃以上;2.事故时燃料温度最高可达1800℃;3.最大燃耗可达150~200GWD/MTHM;4.高温合金和包覆质量;5.使用碘