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        熱效率高于燃煤電廠 第四代反應(yīng)堆可對接火電機(jī)組?

        2017-08-11 08:41:23本刊主筆季天也
        環(huán)境與生活 2017年7期
        關(guān)鍵詞:壓水堆核燃料反應(yīng)堆

        ◎本刊主筆 季天也

        熱效率高于燃煤電廠 第四代反應(yīng)堆可對接火電機(jī)組?

        ◎本刊主筆 季天也

        6月19日,位于我國山東石島灣的第四代核電工程——商業(yè)版高溫氣冷示范堆,完成了220千伏倒送電(反向送電)一次成功,提前9天實現(xiàn)里程碑節(jié)點目標(biāo)。自1954年蘇聯(lián)建成世界第一座核電廠以來,核電技術(shù)經(jīng)歷了3次飛躍,共形成了4代技術(shù),每一代在經(jīng)濟(jì)性、安全性和高效性方面都是質(zhì)的飛躍。那么,目前最新的第四代核電究竟有哪些領(lǐng)先之處?其廣泛利用離我們還有多遠(yuǎn)呢?

        襁褓中的第四代:節(jié)鈾減排更安全

        1996年,第三代核電站還沒大面積推廣時,美國能源部(DOE)就以核廢物減量、節(jié)約鈾礦資源和進(jìn)一步強(qiáng)化固有安全性為目標(biāo),提出了第四代核電站的概念。2001年7月,美國能源部牽頭,由美國、英國、韓國、南非、日本、法國、加拿大、巴西、阿根廷9國,成立了第四代核能系統(tǒng)國際論壇(GIF),中國、瑞士和歐洲原子能共同體后來也加入其中。該論壇目前確立了6種有前途的第四代核反應(yīng)堆作為重點研發(fā)對象,包括3種快中子堆——鈉冷快堆(SFR)、鉛冷快堆(LFR)和氣冷快堆(GFR),以及3種熱中子堆——超臨界水冷堆(SCWR)、高溫氣冷堆(HTR)和熔鹽堆(MSR)。這些設(shè)計的目的在于大幅減少核廢料、更充分利用鈾資源、降低核電站建造和運(yùn)營成本,并防止放射性物質(zhì)外泄。

        隨著上世紀(jì)七八十年代投運(yùn)的第二代核電站紛紛步入中老年,核電技術(shù)已經(jīng)到了推動第三代、孕育第四代的階段。2008年10月和2009年3月,我國分別加入了高溫氣冷堆和鈉冷快堆兩個系統(tǒng)的研究。

        高溫氣冷堆所用的燃料球,直徑6厘米,和網(wǎng)球相近。

        高溫氣冷堆靠“網(wǎng)球”發(fā)電

        高溫氣冷堆全稱為“球床模塊式高溫氣體冷卻型反應(yīng)堆”。與現(xiàn)今主流的壓水堆相比,球床反應(yīng)堆用的不是細(xì)長的燃料棒,而是直徑6厘米——和網(wǎng)球差不多大的燃料球。球的最外層是5毫米厚的石墨層,作為導(dǎo)熱材料和中子慢化劑。中心的“餡兒”是8000個直徑0.92毫米的燃料粒。燃料粒的中心是直徑0.5毫米的二氧化鈾燃料,外面由碳化硅、熱解石墨組成4個保護(hù)層包裹。石墨和氦都不會吸收放射性,所以燃料球用完后,本身就有屏蔽作用,無需另外的機(jī)械或化學(xué)處理,但這部分廢料總體積會增加。

        之所以名叫“氣冷堆”,是因為氦氣代替了水作為反應(yīng)堆的冷卻劑。燃料球放在罐狀容器內(nèi),讓氣體冷卻劑在燃料球之間通過,將熱能帶走。氦氣是一種化學(xué)惰性極強(qiáng)的氣體,幾乎不和任何物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)熱性好、沒有腐蝕性、沒有可燃性,也不會被核燃料的放射性污染。理論上,高溫氣冷堆甚至可以不用壓水堆的雙回路設(shè)計(詳見《環(huán)境與生活》6月號《揭秘核電廠“排尿”套路》一文),而讓高溫高壓的氦氣直接推動汽輪機(jī)發(fā)電。但是這種方式此前沒有現(xiàn)成的應(yīng)用,必須從頭開發(fā)。

        源于美國 長于德國

        高溫氣冷堆源于1943年美國物理化學(xué)家法林頓·丹尼爾斯(Farrington Daniels,1889-1972)在美國橡樹嶺國家實驗室所做的一個實驗。4年后,他提出了球床反應(yīng)堆的概念。上世紀(jì)50年代,德國物理學(xué)家魯?shù)婪颉な鏍栯≧udolf Schulten,1923-1996)牽頭,繼續(xù)將這個概念建構(gòu)起來,并于1960年在前聯(lián)邦德國開始實際的工程設(shè)計與建設(shè)。歷時7年,這臺球床式高溫氣冷原型堆(AVR)建成并網(wǎng)發(fā)電,熱功率46兆瓦,電功率為15兆瓦。

        1986年切爾諾貝利事件后,前聯(lián)邦德國對核電開始有了疑慮,AVR也受到嚴(yán)格的監(jiān)督。碰巧在1988年,不爭氣的AVR發(fā)生了一個小事故:由于燃料球卡在出口,在處理的過程中燃料球外殼破損,致使微量放射性塵埃溢出。在切爾諾貝利事件的影響下,社會已經(jīng)容不得任何放射性事故的發(fā)生,于是AVR就被關(guān)停了。

        之后,德國政府花了26年來清理現(xiàn)場并總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)。2011~2014年間,外部專家審查該堆的運(yùn)行情況時指出,AVR所用的燃料球外殼包層的強(qiáng)度存在缺陷,核燃料裂變產(chǎn)物銫-137和鍶-90從燃料球里泄漏出來,污染了反應(yīng)堆壓力容器等核設(shè)施。而這兩種放射性核素釋放的β輻射可遷移性又很強(qiáng),給反應(yīng)堆的拆除工作造成了不小的困難。

        我國第四代示范堆有望年底發(fā)電

        德國舒爾滕團(tuán)隊被解散之后,中國以合適的價格買下了具有知識產(chǎn)權(quán)的執(zhí)照和圖紙,并把燃料球生產(chǎn)線帶回國。1995年,中國版高溫氣冷實驗堆HTR-10在清華校園開建,發(fā)電功率為10兆瓦,2000年12月建成,并首次達(dá)到臨界,2003年1月實現(xiàn)滿功率并網(wǎng)發(fā)電。

        2005年,我國決定在山東榮成市石島灣開建商業(yè)版的高溫氣冷示范堆,設(shè)計發(fā)電功率為200兆瓦。2006年2月,石島灣高溫氣冷堆被列入《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》。2007年1月,由中國華能集團(tuán)、中國核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)、清華大學(xué)各出資47.5%、32.5%和20%共同組建華能山東石島灣核電有限公司。2011年3月1日,高溫氣冷堆示范工程項目核準(zhǔn)報告順利通過國務(wù)院辦公會議批準(zhǔn)。2012年12月9日,石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程開工,是“十二五”第一個正式開工的核電項目。2016年3月10日至20日,第一臺反應(yīng)堆壓力容器卸車并完成吊裝。2017年4月12日,2號壓力容器的燃料球安裝完成,預(yù)計年底前后就能并網(wǎng)發(fā)電,有望成為世界首座第四代商用核電站。

        新技術(shù)高效發(fā)電不熔堆

        作為最新一代核技術(shù),高溫氣冷堆主要有如下幾個優(yōu)點:

        ①固有安全性高,幾乎不會熔堆。

        當(dāng)球狀燃料的溫度增加時,鈾-238吸收中子的速率也會增加,這就使可用來引發(fā)鈾-235裂變的中子減少。也就是說,堆芯溫度越高,裂變反應(yīng)的強(qiáng)度就越弱。傳統(tǒng)反應(yīng)堆由于核燃料的密度較高,接近100兆瓦/立方米,所以這種現(xiàn)象作用不大。而球床反應(yīng)堆的燃料密度只有不到3兆瓦/立方米,核燃料自然衰變產(chǎn)生的熱能沒有自然散熱量大。這種物理特性確保了反應(yīng)堆不會發(fā)生堆芯熔毀的事故。

        首次將球床式反應(yīng)堆概念付諸實踐的德國物理學(xué)家魯?shù)婪颉な鏍栯?/p>

        2017年3月20日,山東石島灣商業(yè)示范性高溫氣冷堆的壓力容器卸車,它是目前世界上最大、最重的反應(yīng)堆壓力容器。 來源:中核二三建設(shè)公司

        高溫氣冷堆內(nèi)部構(gòu)造示意圖

        另外,冷卻劑氦氣不會助燃或燃燒,不用像壓水堆那樣需要防范蒸氣爆炸。2004年,清華大學(xué)對其安全性進(jìn)行驗證試驗:在反應(yīng)堆正常運(yùn)行時切斷電源,在不插入控制棒的情況下,關(guān)閉反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng),模擬最嚴(yán)重的事故工況,結(jié)果反應(yīng)堆在沒有人為干預(yù)的情況下依靠自身設(shè)計安全地停了下來,堆芯沒有熔毀。國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)60多人的專家組現(xiàn)場見證了試驗過程,并給予高度評價。

        ②熱效率高,有綜合利用潛力。

        高溫氣冷堆中,高溫可不是個虛名,堆芯和冷卻劑的特性允許把反應(yīng)堆的運(yùn)行溫度設(shè)定得更高。氦氣被反應(yīng)堆加熱到650~950攝氏度,而壓水堆的安全性只夠把水燒到300多攝氏度(通過150個大氣壓左右的高壓確保水不會沸騰),因此高溫氣冷堆的熱效率(核燃料的裂變能轉(zhuǎn)化成電能的比例)可達(dá)到50%,不僅遠(yuǎn)高于壓水堆的30%~35%,也超過了大型煤電機(jī)組的40%~42%。相應(yīng)地,反應(yīng)堆排除的廢熱少,減輕了對環(huán)境的熱影響,也間接節(jié)約了我國儲量并不豐富的鈾資源。

        高溫氣冷堆的蒸汽參數(shù)與燃煤電廠一致,因此高溫氣冷堆核電廠的汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)可以很好地利用我國現(xiàn)有成熟的火電技術(shù)和建造能力,具有較好的經(jīng)濟(jì)性。同時,反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢熱還能為核能制氫、冶金、化工等領(lǐng)域提供大量的高溫工藝熱。

        ③換料不用停堆。

        球床式設(shè)計使反應(yīng)堆在運(yùn)行期間就能裝/換核燃料。新的燃料球從反應(yīng)堆頂部裝入,用過的燃料球從反應(yīng)堆底部排出。系統(tǒng)會對排出的燃料球進(jìn)行燃耗檢測,還能繼續(xù)燒的會被重新裝入反應(yīng),每年循環(huán)10次左右。這樣一來,不僅提升了換料的安全性,還比現(xiàn)役核電廠大幅節(jié)省了一兩年一次、每次幾星期的停堆換料時間,從而提高反應(yīng)堆的發(fā)電時數(shù),運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)性自然就更好。

        體型太大尚不經(jīng)濟(jì)

        高溫氣冷堆既然好處這么多,為什么不趕緊推廣呢?主要有這么幾方面的考慮。

        ①它還年輕。

        它雖然結(jié)構(gòu)很簡單,但在工程設(shè)計上遠(yuǎn)不如目前的壓水/沸水式成熟,沒有經(jīng)歷幾十年、上萬堆年的運(yùn)行經(jīng)驗,許多潛在的故障還沒能排除,實際運(yùn)行過程中的可靠性和安全性還需要長期驗證。

        ②不夠經(jīng)濟(jì)。

        高溫氣冷堆功率密度低,對于防止堆芯過熱是個優(yōu)勢,但在體積上就比較吃虧了:一個比壓水堆體積大30倍的高溫氣冷堆(占地900立方米),功率只能做到100兆瓦,而最新的壓水堆已經(jīng)達(dá)到1400兆瓦。高溫氣冷堆不用像傳統(tǒng)壓水堆和沸水堆那樣需要防范堆芯熔毀和蒸汽爆炸,理論上說可以不需要反應(yīng)堆安全殼。但畢竟其實際可靠性還不清楚,如果仍需出于謹(jǐn)慎而建設(shè)安全殼,廠房的體積和成本就更不容小覷了。身為新一代技術(shù),高溫氣冷堆的燃料制造、回收和各種設(shè)備的制造,無法沿用現(xiàn)役核電廠的軟硬件基礎(chǔ),需要新建一套體系,進(jìn)一步削弱了經(jīng)濟(jì)性。

        ③燃料粒容易出次品

        清華大學(xué)的燃料球生產(chǎn)線年產(chǎn)量是10萬枚,現(xiàn)在正在包頭市建設(shè)年產(chǎn)30萬枚的工廠。燃料粒性本身有4層防護(hù),目前的工藝可以保證99.999%的優(yōu)良率,理論上可靠性很高。但是年產(chǎn)30萬枚燃料球,每個球有8000個燃料粒,那就是24億顆燃料粒。在巨大的燃料粒基數(shù)下,即便是那0.001%也意味著仍然會有24000顆“次品”燃料粒出現(xiàn)。一旦這些燃料粒發(fā)生破損,就有可能泄漏放射性塵埃。當(dāng)然,一顆燃料粒的鈾含量只有0.7毫克,放射性并不厲害。

        鈉冷快堆:鈾-238變廢為寶

        除了高溫氣冷堆,我國研發(fā)第四代核電的另一棵技能樹是鈉冷快堆。之前介紹的反應(yīng)堆,都是要使用慢化劑,將核裂變產(chǎn)生的速度很快的快中子慢化成速度慢的熱中子,稱為“熱中子堆”(簡稱熱堆)。比如壓水堆用水作為慢化劑,高溫氣冷堆用石墨作為慢化劑,這么做是因為速度慢的中子更容易使鈾-235發(fā)生裂變。鈉冷快堆則是不使用中子慢化劑、以液態(tài)金屬鈉作為冷卻劑的反應(yīng)堆,簡稱“快堆”。

        清華大學(xué)HTR-10高溫氣冷實驗堆的控制室

        快中子雖然使鈾-235裂變的概率低一些,卻能使天然存在、含量更高、但不易裂變的鈾-238轉(zhuǎn)化成易裂變核素钚-239。快堆中,在不斷消耗钚-239的同時,又有鈾-238不斷轉(zhuǎn)變成新的钚-239,而且新生的钚-239比消耗掉的還多,從而使堆中核燃料變多,實現(xiàn)裂變材料的增殖。因此,快堆也被稱為“快中子增殖堆”。

        要知道,鈾-235是地球上唯一天然存在的易裂變核素?!翱拥钡氖牵谔烊烩欃Y源中的含量僅有0.711%,其余99.3%幾乎都是不易裂變的鈾-238??於训膽?yīng)用,算得上是變廢為寶,可以大幅度提高鈾資源的利用率,降低核燃料加工的難度,還能顯著減少高放射性廢物的產(chǎn)量。

        中國實驗快堆于1992年3月獲國務(wù)院批準(zhǔn)立項,2000年5月開工建設(shè),2011年7月22日完成40%功率并網(wǎng)發(fā)電24小時的預(yù)定目標(biāo),2012年10月31日通過科技部驗收,2014年12月30日滿功率試運(yùn)行144小時后停堆。2015年10月10日,以3.8kw的電動率再次實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電,標(biāo)志著中國進(jìn)入世界少數(shù)幾個擁有快堆國家的行列。當(dāng)然,真正實現(xiàn)快堆的商用發(fā)電,還有很多年的路要走。

        本欄目責(zé)編/季天也jtyair2013@vip.163.com

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