裴洋核能發(fā)電教研室

核反應(yīng)堆物理基礎(chǔ)8.3第四代核反應(yīng)堆2觀察者網(wǎng)綜合《中國證券報》等媒體報道，國家科技重大專項高溫氣冷堆核電站示范工程（HTR-PM）的核心裝備——主氦風(fēng)機試驗樣機，已于本月初在上海電氣集團鼓風(fēng)機廠通過業(yè)內(nèi)專家評審和鑒定。這是世界上第一臺采用電磁軸承的大功率主氦風(fēng)機，大量采用了創(chuàng)新技術(shù)，無論功率還是技術(shù)水平都處于世界領(lǐng)先水平，標(biāo)志著我國已攻克世界高溫氣冷堆先進核電技術(shù)研發(fā)中的主要技術(shù)難關(guān)。在未來，這一主氦風(fēng)機將被安裝在位于山東省榮成市的華能石島灣核電廠，該核電站將是世界第一座具有第四代核電特征的高溫氣冷堆核電站。四代核電介紹8.3第四代核反應(yīng)堆3高溫氣冷堆具有溫度高、用途廣等特點，其固有特性決定此類堆型可以避免類似于日本福島核事故的堆芯熔化、放射性大量釋放的重大事故，曾被美國麻省理工大學(xué)專家認定為21世紀(jì)美國乃至世界核電站最有發(fā)展前景的堆型，國內(nèi)外對此種技術(shù)都非常重視。在高溫氣冷堆研究領(lǐng)域，我國已經(jīng)走在了世界的最前沿。4高溫氣冷堆核電站示范工程（HTR-PM，High-Temperaturegas-cooledReactorPebble-bedModule）是在“863”項目“IOMW高溫氣冷實驗堆”的基礎(chǔ)上發(fā)展的高溫氣冷堆核電站示范電站，也是《國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要(2006~2020)》確定的16個重大專項之一。作為高溫氣冷堆的關(guān)鍵設(shè)備之一，主氦風(fēng)機被安裝在一回路內(nèi)部蒸汽發(fā)生器輸出端，是核反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)唯一的能動設(shè)備。5高溫氣冷堆核電站示范工程（HTR-PM，High-Temperaturegas-cooledReactorPebble-bedModule）是在“863”項目“IOMW高溫氣冷實驗堆”的基礎(chǔ)上發(fā)展的高溫氣冷堆核電站示范電站，也是《國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要(2006~2020)》確定的16個重大專項之一。作為高溫氣冷堆的關(guān)鍵設(shè)備之一，主氦風(fēng)機被安裝在一回路內(nèi)部蒸汽發(fā)生器輸出端，是核反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)唯一的能動設(shè)備。6第四代核電反應(yīng)堆Gen-IV的概念最先是在1999年6月召開的美國核學(xué)會年會上提出的。在當(dāng)年11月該學(xué)會冬季年會上，進一步明確了發(fā)展Gen-IV的設(shè)想。美國、法國、日本、英國等核電發(fā)達國家在2000年組建了Gen-IV國際論壇，擬用2~3年的時間完成制定Gen-IV研發(fā)目標(biāo)計劃。這項計劃總的目標(biāo)是在2030年左右，向市場上提供能夠很好解決核能經(jīng)濟性、安全性、廢物處理和防止核擴散問題的Gen-IV。7Gen-IV國際論壇的成員國一致同意，在Gen-IV的研發(fā)中將遵循兩個原則：創(chuàng)新性原則：國際上關(guān)于第四代核能系統(tǒng)的討論中已經(jīng)達成這樣的共識，即第四代核能系統(tǒng)必須采取創(chuàng)新性的技術(shù)解決方案，否則無法有效解決核能目前面對的挑戰(zhàn)。開放性原則：在目前的早期基礎(chǔ)研究階段，不要排除任何可能的解決方案，應(yīng)向所有的技術(shù)開放。研發(fā)工作:8第四代核電反應(yīng)堆超臨界水冷堆（SCWR）SCWR是運行在水的臨界點（374℃、22.1MPa）以上的高溫、高壓水冷堆。SCWR使用"超臨界水"作冷卻劑。這種水既具有液體性質(zhì)又具有氣體性質(zhì)，熱傳導(dǎo)效率遠遠優(yōu)于普通的"輕水"。用超臨界水作冷卻劑可使反應(yīng)堆的熱效率比目前的輕水堆熱效率提高約1/3，還可以簡化BOP。因為反應(yīng)堆中的冷卻劑不發(fā)生相變，而且直接與能量轉(zhuǎn)換設(shè)備連接，因而可以大大簡化BOP。SCWR的參考堆熱功率1700MWt，運行壓力25MPa，堆芯出口溫度510℃（可以達到550℃）。使用氧化鈾燃料。SCWR的非能動安全特性與簡化沸水堆相似。SCWR既適用于熱中子譜，也適用于快中子譜。9SCWR結(jié)合了兩種成熟技術(shù)：輕水反應(yīng)堆技術(shù)和超臨界燃煤電廠技術(shù)。由于系統(tǒng)簡化和熱效率高（凈效率達44%），在輸出功率相同的條件下，超臨界水冷堆只有一般反應(yīng)堆的一半大小，預(yù)計建造成本僅$900/kW。發(fā)電費用可望降低30%，僅為$0.029/kWh。因此，SCWR在經(jīng)濟上有極大的競爭力。SCWR主要是設(shè)計用于發(fā)電的，也可用于錒系元素管理。其堆芯設(shè)計有兩種：熱譜或快譜。后者采用快堆的閉式燃料循環(huán)。10第四代核電反應(yīng)堆超常高溫氣冷堆系統(tǒng)（VHTR）VHTR是高溫氣冷堆的進一步發(fā)展，采用石墨慢化、氦氣冷卻、鈾燃料一次通過循環(huán)方式。其燃料溫度達1800℃，冷卻劑出口溫度可達1500℃。VHTR具有良好的非能動安全特性，熱效率超過50%，易于模塊化，經(jīng)濟上競爭力強。11VHTR以1000℃的堆芯出口溫度供熱，這種熱能用于如制氫或為石化和其它工業(yè)提供工藝熱。參考堆的熱功率為600MW，堆芯通過與其相連的一個中間熱交換器釋放工藝熱。反應(yīng)堆芯可以是像正在日本運行的HTTR那樣的棱柱形塊堆芯，或者是像正在我國運行的HTR-10那樣的球床堆芯。VHTR制氫能有效地向碘－硫熱化學(xué)工藝供熱。VHTR保持了高溫氣冷堆具有的良好安全特性，同時又是一個高效系統(tǒng)。它可以向高溫、高耗能和不使用電能的工藝過程提供廣譜熱量，還可以與發(fā)電設(shè)備組合以滿足熱電聯(lián)產(chǎn)的需要。該系統(tǒng)還具有采用鈾/钚燃料循環(huán)的靈活性，產(chǎn)生的核廢料極少。12VHTR技術(shù)上有待解決的問題：在這種超常高溫下，銫和銀遷徙能力的增加可能會使得碳化硅包覆層不足以限制它們，所以需要進行新的燃料和材料設(shè)計，以滿足下述條件：1.堆芯出口溫度可達1000℃以上;2.事故時燃料溫度最高可達1800℃;3.最大燃耗可達150~200GWD/MTHM;4.高溫合金和包覆質(zhì)量;5.使用碘