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高溫氣冷堆示范工程穩(wěn)步推進(jìn)
發(fā)布日期:2018-10-31      信息來(lái)源:中國(guó)能源報(bào)     【字體 分享:
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高溫氣冷堆示范工程穩(wěn)步推進(jìn)
發(fā)布時(shí)間:2018-10-31 來(lái)源: 中國(guó)能源報(bào)  字號(hào):

  記者日前在探訪我國(guó)自主研發(fā)建設(shè)的全球首座球床模塊式高溫氣冷堆商用示范電站時(shí)了解到,截至目前,該項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)與土建工作已基本完成,工程處于安裝、調(diào)試關(guān)鍵時(shí)期,計(jì)劃于2019年底前后建成。


  高溫氣冷堆被國(guó)際核能界認(rèn)定為最具發(fā)展?jié)摿Φ南冗M(jìn)堆型之一,美國(guó)、日本、南非、印度尼西亞等國(guó)近年來(lái)均開(kāi)展了該領(lǐng)域的研究,但尚未有工程項(xiàng)目落地實(shí)施。2003年,中核集團(tuán)與清華大學(xué)聯(lián)合組建了產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)公司——中核能源,成為實(shí)現(xiàn)高溫氣冷堆自主創(chuàng)新、成果轉(zhuǎn)化的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的創(chuàng)新主體。


  安全性有保障


  過(guò)去四十多年,因三次核事故發(fā)生,安全性對(duì)核電行業(yè)發(fā)展的重要性不斷增強(qiáng)。據(jù)了解,高溫氣冷堆在燃料、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的特點(diǎn),從原理上保證了核電站的安全。


  燃料是高溫氣冷堆技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。該堆使用全陶瓷型包覆顆粒球形燃料元件,每個(gè)直徑60mm的燃料球中分散著12000個(gè)包覆燃料顆粒,每個(gè)顆粒在發(fā)生核裂變反應(yīng)的UO2核心之外,包覆著疏松熱解碳層、內(nèi)致密熱解碳層、熱解碳化硅(SiC)層和外致密熱解碳層,反應(yīng)產(chǎn)生的放射性裂變產(chǎn)物被包覆層阻留。


  “實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在溫度超過(guò)2000攝氏度之后,燃料顆粒的SiC包覆層才開(kāi)始發(fā)生化學(xué)分解。”中核能源科技有限公司總工程師陳景介紹,“反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)燃料的平均溫度約為700攝氏度,最高溫度達(dá)到900攝氏度,在任何事故工況下,燃料元件的最高溫度都不超過(guò)1620℃,遠(yuǎn)低于燃料可承受的最大溫度,保證燃料顆粒不會(huì)因高溫發(fā)生破損,從而避免了堆芯熔化和核泄漏。”


  承載燃料元件的反應(yīng)堆芯材料均由石墨和碳磚構(gòu)成,而石墨的熔點(diǎn)超過(guò)3000攝氏度,耐高溫能力強(qiáng)。作為冷卻劑的氦氣是惰性氣體,同樣耐高溫,且不與其他材料發(fā)生反應(yīng),在主氦風(fēng)機(jī)的推動(dòng)下在壓力容器與蒸汽發(fā)生器間流轉(zhuǎn),將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量傳遞到二回路進(jìn)行發(fā)電。


  “250攝氏度的氦氣從堆芯頂部進(jìn)入,經(jīng)過(guò)燃料被加熱到750攝氏度,流向蒸發(fā)器后再次降溫到250攝氏度。”陳景解釋,“示范工程的冷卻劑流動(dòng)具有如下特點(diǎn):氦氣經(jīng)堆芯加熱后,高溫的氦氣只流經(jīng)耐高溫的陶瓷堆內(nèi)構(gòu)件和使用高溫的蒸汽發(fā)生器,經(jīng)冷卻后的氦氣再流經(jīng)主氦風(fēng)機(jī)、壓力容器邊界、堆內(nèi)金屬構(gòu)件和陶瓷堆內(nèi)構(gòu)件的外圍,然后再流經(jīng)堆芯,形成閉環(huán)回路。這樣的流道布置允許采用常規(guī)的金屬材料和耐高溫的陶瓷材料構(gòu)成的反應(yīng)堆產(chǎn)生高溫輸出。”


  無(wú)干預(yù)可自行停堆


  除燃料元件外,高溫氣冷堆的固有安全性還體現(xiàn)在自行停堆上。


  陳景介紹,由于高溫氣冷堆具有負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù),且溫度裕度很大,隨著溫度升高,反應(yīng)速度會(huì)下降。“反應(yīng)堆正常運(yùn)行最高溫度900攝氏度,而溫度最高限值為1620攝氏度,足夠的溫度裕度使得反應(yīng)堆溫度可以在達(dá)到限值前下降,并最終自動(dòng)停堆,就像慣性沖上斜坡的汽車,只要坡足夠長(zhǎng),汽車就可以停下來(lái)。”


  余熱及時(shí)導(dǎo)出也是防止反應(yīng)堆溫度過(guò)高的重要環(huán)節(jié)。而高溫氣冷堆的功率密度是壓水堆的1/30,單位體積發(fā)出的熱量大大降低,停堆后需要“對(duì)付”的余熱也明顯減少。此外,由于堆芯由超過(guò)380噸的石墨和碳磚構(gòu)成,比熱容大,堆芯整體升溫緩慢,瘦長(zhǎng)型的壓力容器也有利于向周圍環(huán)境自然散熱。


  “我們?cè)?jīng)做過(guò)實(shí)驗(yàn),在停止冷卻劑供應(yīng)、阻止控制棒插入停堆的情況下,反應(yīng)堆最高溫度不會(huì)超過(guò)1620攝氏度,又可在沒(méi)有任何人工干預(yù)措施的情況下自動(dòng)停堆,不會(huì)發(fā)生堆芯熔化。”陳景指出,“高溫氣冷堆的設(shè)計(jì)原理保證了不會(huì)發(fā)生大規(guī)模放射性物質(zhì)釋放,從技術(shù)上可以取消廠外應(yīng)急。”


  開(kāi)拓“藍(lán)海”市場(chǎng)


  據(jù)了解,高溫氣冷堆采用超臨界蒸汽透平發(fā)電的發(fā)電效率可達(dá)45%,若直接采用氦氣透平發(fā)電可進(jìn)一步提升至50%。在煤電機(jī)組服役期屆滿后,高溫氣冷堆在發(fā)電或熱電聯(lián)產(chǎn)方面均能勝任,可實(shí)現(xiàn)對(duì)退役機(jī)組的替代。


  高效率的發(fā)電之外,新興工業(yè)領(lǐng)域?qū)崃Φ男枨?,為高溫氣冷堆提供了廣闊的市場(chǎng)前景。據(jù)記者了解,稠油熱采、煤氣化與液化、以及熱化學(xué)制氫等熱工藝均需要利用高溫。傳統(tǒng)輕水堆受反應(yīng)堆原理、材料限制,能提供的工藝熱溫度在300攝氏度左右。而未來(lái),隨著關(guān)鍵技術(shù)突破,高溫氣冷堆能提供的工藝熱溫度可能達(dá)到900度到1000度,在大規(guī)模制氫等領(lǐng)域具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。


  此外,模塊化的建設(shè)方式,使高溫氣冷堆可以靈活適應(yīng)市場(chǎng)需求。單個(gè)模塊的高溫氣冷堆可提供25萬(wàn)千瓦的熱功率或者10萬(wàn)千瓦的電功率,用戶可以根據(jù)自身電力、熱力需求,選擇符合自身能力的規(guī)模,或者通過(guò)分批建造、投運(yùn),減小成本方面的壓力,做到“隨需而建”。


  固有安全性、廣泛的應(yīng)用情景與靈活的建設(shè)方式,為高溫氣冷堆創(chuàng)造了較大的市場(chǎng)空間。未來(lái),通過(guò)批量化建設(shè),高溫氣冷堆的經(jīng)濟(jì)性將逐漸體現(xiàn)。“截至目前,年產(chǎn)30萬(wàn)個(gè)燃料球的生產(chǎn)線已經(jīng)建成投產(chǎn),高溫氣冷堆球形燃料元件的生產(chǎn)非常順暢,年產(chǎn)360萬(wàn)個(gè)燃料球的關(guān)鍵技術(shù)已實(shí)現(xiàn)突破,可以滿足批量化建設(shè)的燃料需求。”中核能源科技有限公司黨委書(shū)記、董事長(zhǎng)張國(guó)華告訴記者。

 
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