鄭勇

摘 要：近年來，核電小型反應堆憑借固有安全性高、建造周期短、布置靈活等優(yōu)勢得到了世界各國的重視，美國、日本、俄羅斯等都相繼研發(fā)出了不同類型的模塊式小型堆，中國也正在山東某地建設2臺10萬千瓦的高溫氣冷堆師范工程。本文重點介紹了目前國內外幾種典型的小堆技術，并從核電小型堆的技術特征出發(fā)，對核電小型堆廠址的適應性做了簡要的分析，對核電小型堆的選址工作有具一定的參考價值。

關鍵詞：核電工程；小型堆技術；廠址適應性

中圖分類號：TM623.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）20-0137-02

1 核電小型堆概述

國際原子能機構（IAEA）將電功率在300MW以下的反應堆定義為小型堆，核電小型堆一般采用模塊式的設計和建造理念及非能動的安全技術，通過模塊式組合實現較大的規(guī)模容量。它可實現比三代壓水堆更高的安全性、更短的建造周期和應用的靈活性，是一種可應用于不同需求和條件的新型核能系統。

小型反應堆單堆熱功率小，正常運行熱儲能小，停堆后的衰變熱少，最有利于提高反應堆的固有安全和通過非能動安全設施的應用實現高度的安全性，能很好地滿足中小型電網、分布式電網、電網末端或邊遠地區(qū)供電、城市或工業(yè)供熱及海水淡化、混合能源等特殊領域應用的需求。

2 核電小型堆現狀及發(fā)展趨勢

美國、俄羅斯、法國、日本、韓國、印度、阿根廷等國都在積極開展先進小型堆的研發(fā)和商業(yè)化努力。美國從事小型壓水堆技術開發(fā)主要有4家機構：GenerationmPower公司、西屋公司、NuScalePower公司和Holtec公司，分別提出了不同的模塊式小型堆設計，并開始實施研發(fā)計劃，如：GMP公司設計的是單模塊電功率180MWe的mPower；Nuscale公司設計的是單模塊電功率45MWe的Nuscale；西屋電氣公司設計的是單模塊電功率225MWe的SMR；通用電器/日立公司設計的是單模塊電功率311MWe的PRISM。這幾種設計都采用一體化反應堆，充分利用成熟的核電技術和軍用核動力技術，具有更高的安全性。

在國內，中核集團、國核技、中廣核集團以及清華大學都在研發(fā)小型堆技術。我國高溫氣冷堆核電站示范工程由中國華能牽頭組織實施，項目以我國已建成投運的清華大學10兆瓦高溫氣冷實驗堆為基礎，是我國核電領域的一項標志性示范工程。

3 核電小型堆應用領域

美國發(fā)展小型堆主要用于取代逐漸退役的化石燃料電廠，應用于美國局部地區(qū)、特殊領域和分布式電網等方面，也可向發(fā)展中國家出口。美國只有1/4的電力公司具有投資建造1000MWe電站的能力，或者一次性投資80-100億美元的能力，大多數美國電力公司的投資能力為10-20億美元。因此，發(fā)展小型堆成為美國下一步核能發(fā)展和應用的重要選擇。近年來我國能源局在規(guī)劃開展分布式電網的研究，小型堆將是我國內陸廣大地區(qū)、電網邊遠地區(qū)應用的最佳選擇。

（1）在城市采暖供熱領域：我國城市供熱對能源的需求量在世界的前列，年耗煤數億噸，占總能源消耗10%以上，隨著城鎮(zhèn)化進程加快和深化，采暖熱負荷呈現迅猛增長態(tài)勢。

（2）在工業(yè)供熱領域：電力、建材、冶金、化工等能源消費密集的行業(yè)是我國支柱產業(yè)，這些行業(yè)的企業(yè)都建有不同規(guī)模的自備熱電廠，使用的全部是化石能源，它們占大氣污染的70%以上。

（3）在海水淡化領域：我國大部分工業(yè)集中于近、沿海地區(qū)，淡水資源匱乏。我國海洋國土面積接近300萬平方公里，海岸線長達1.8萬公里，海上鉆井平臺和遠離大陸的海島和軍事基地都存在供電、供熱及供氣需求。

4 典型小堆設計介紹

mPower小型模塊化反應堆是簡化的、非能動、模塊化壓水堆，采用一體化布置。反應堆堆芯、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器組合布置在一個普通壓力容器中，熱功率為530MWt，發(fā)電功率為180MWe。mPower采用核島廠房地下布置的方式，將安全殼、乏燃料水池和最終熱阱都布置在地下，大大加強了核電廠安全性。

Nuscale是一個小型的輕水冷卻型壓水堆，它將提供給業(yè)主可擴容的解決方案，即單個核電設施可以允許最多設12個NSSS模塊。一體化的壓水型NSSS將反應堆芯、蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器集成在壓力容器內，它的主冷卻劑在浮力驅動下進行自然循環(huán)，而不需要反應堆冷卻劑泵。每臺機組輸出功率為45MWe。

我國目前正在組織建設兩臺10萬千瓦高溫氣冷堆核電站示范工程，它采用包覆顆粒燃料（TRISO）構成的“全陶瓷型”球形燃料元件作為核燃料，兩套核蒸汽供應系統帶一臺超高壓汽輪發(fā)電機組發(fā)電。反應堆堆芯和蒸汽發(fā)生器分別設置在兩個殼體內，并由熱氣導管殼體相連接，構成一回路壓力邊界，它的系統簡單，電站發(fā)電效率可以達到40%以上。

5 小型堆的技術優(yōu)勢

5.1 模塊化壓水堆的技術優(yōu)勢

Nuscale反應堆的容積功率比比大型電站壓水堆大4倍。西屋公司的W-SMR穩(wěn)壓器容積功率比大約是大型壓水堆的5倍；SMR的放射性總量大約是大型壓水堆的十分之一，還附加了多層屏障，使事故源項保持在非常低的水平；容器和設備的布置有利于自然循環(huán)。SMR的反應堆設計成細而高，其高徑比達到6（PWR為2.5，BWR為2.0）；SMR反應堆的直徑只有2.5-3.5m（PWR為4-5m，BWR為6-7m），SMR從容器外表面移出熱量的效率是大型壓水堆的2-4倍；SMR反應堆的停堆后的衰變熱功率僅為大型壓水堆的1/5-1/10，更便于采用非能動的方式導出；反應堆和乏燃料池布置在地面標高以下，使得SMR更能經受住外部自然災害和認為事件的影響，并有利于減少事故后放射性物質釋放的途徑，具有更強的抗地震能力。

5.2 高溫氣冷堆技術優(yōu)勢

（1）核電站選址靈活：由于氦氣輪機直接循環(huán)時可采用空氣冷卻塔散失余熱，因此可建在冷卻水源不足的地方。

（2）反應堆熱效率高：由于采用耐高溫的包敷顆粒核燃料，并用高溫石墨作堆芯結構材料，堆芯出口氦氣溫度可達700～950攝氏度，加之氦氣的熱導率高，因此其熱效率高，整個電站發(fā)電效率可以達到40%以上。

（3）固有安全性高：高溫氣冷堆的負溫度系數大，堆型的熱容量也大，因此在事故情況下，溫度上升緩慢，即使在失氦情況下，堆型結構也不至于熔化，這就使得采取相應安全措施的余度增大。

（4）對環(huán)境污染小：由于采用性能穩(wěn)定的氦氣作冷卻劑，氦氣的中子吸收截面極小，反應堆一回路放射性劑量較低，而且由于熱效率高，其排出的廢熱也比輕水堆少35%-40%，由于熱污染少，因此可建在人口較密的城鎮(zhèn)附近。

（5）有綜合利用的前景：由于堆芯出口氦氣溫度可達700～950攝氏度，除發(fā)電外，還可將反應堆的高溫工藝供熱直接應用于煉鋼，制氫，煤的氣化、液化等方面，達到綜合利用的目的。

6 核電小型堆廠址適應性要求

小型反應堆廠址選擇相比較大型堆有更大靈活性，在冷卻水源、地震地質、交通運輸、環(huán)保、人口、應急計劃區(qū)等方面，都可望與現行廠址選擇標準有所不同。具體如下：小型堆因其反應堆為模塊化整體結構，且大都深埋地下，因此其抗震能力明顯高于大堆，即對地震發(fā)生的適應性要強于大型核反應堆；小型反應堆由于其單堆功率小，單個廠址相對大堆來講，所需冷卻水量較小，在內陸可選在水流量較小的河流或水庫附近區(qū)域；小型堆設備和模塊重量大大減小，對于大件運輸的要求大大降低?？蛇x擇公路，鐵路，海運，河運等多種方式進行設備運輸；小型反應堆對于環(huán)境輻射劑量遠小于大型核電站，無廢液排放到廠外，可取消廠外應急，因此其限制發(fā)展區(qū)半徑有望隨之減?。恍⌒头磻褜Νh(huán)境輻射劑量遠小于大型反應堆，因此周圍公眾的個人有效劑量較小，因而對周圍人口密度要求可以放寬。

參考文獻

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