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        俄面向閉式燃料循環(huán)的新型反應(yīng)堆技術(shù)發(fā)展布局

        2022-02-17 19:28:58許春陽,金花
        國外核新聞 2022年6期
        關(guān)鍵詞:熔鹽閉式反應(yīng)堆

        俄羅斯副總理亞歷山大·諾瓦克2022年2月宣布,俄羅斯將在2030 年前開始建設(shè)VVER-S改進(jìn)型壓水堆。該反應(yīng)堆可以通過調(diào)節(jié)中子能譜,提升核燃料利用率。

        俄羅斯近年來逐漸確立“二元核能體系”(即熱堆閉式燃料循環(huán)和快堆閉式燃料循環(huán)相結(jié)合)的發(fā)展藍(lán)圖并列入核工業(yè)國家計(jì)劃,目標(biāo)是通過更高增殖比的新型反應(yīng)堆和鈾钚混合燃料的應(yīng)用,提升鈾資源利用效率,解決當(dāng)前核電可持續(xù)性不足的問題。對此,俄羅斯基于已有技術(shù),從VVER壓水堆、鈉冷快堆、鉛冷快堆、熔鹽堆四個(gè)方向原創(chuàng)性地提出新解決方案,根據(jù)現(xiàn)有基礎(chǔ)布局發(fā)展路線,為未來核能發(fā)展奠定技術(shù)儲(chǔ)備。

        1 VVER水冷堆發(fā)展方向

        VVER壓水堆是俄羅斯目前主流核電堆型,技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性不斷提升優(yōu)化。最新型號VVER-TOI首批2 臺機(jī)組已于2018 年和2019 年開工建設(shè)。為提升現(xiàn)有大型壓水堆閉式燃料循環(huán)能力和鈾資源利用率,俄羅斯正在VVER機(jī)組推進(jìn)鈾钚再生混合物(REMIX)燃料應(yīng)用。REMIX 燃料钚含量最高只有1.5%,可直接在現(xiàn)有壓水堆機(jī)組使用,2021年已建成生產(chǎn)能力,并啟動(dòng)先導(dǎo)燃料組件入堆試驗(yàn)。

        為更充分實(shí)現(xiàn)閉式燃料循環(huán)、提升鈾資源利用率,俄羅斯提出近期發(fā)展方向是可調(diào)中子能譜的VVER-S反應(yīng)堆,遠(yuǎn)期發(fā)展方向是具有超臨界參數(shù)的VVER-SKD。

        VVER-S 是成熟VVER 的改進(jìn),又稱“超級VVER”,其不再使用硼酸調(diào)節(jié),而是通過改變堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)計(jì),在堆芯內(nèi)引入置換器改變堆芯水鈾比,實(shí)現(xiàn)在換料周期內(nèi)調(diào)節(jié)中子能譜,提高增殖比,減少廢物量。與VVER-TOI 相比,VVER-S用于開式燃料循環(huán),天然鈾消耗量可降低30%;用于閉式燃料循環(huán),鈾钚混合氧化物(MOX)燃料使用量可從50%提高到100%。俄羅斯國家原子能集團(tuán)公司(簡稱“俄原集團(tuán)”)2021年宣布將在科拉核電廠建設(shè)2座60萬千瓦VVER-S反應(yīng)堆,計(jì)劃2030年前啟動(dòng)建設(shè)。

        VVER-SKD(或VVER-SCWR)反應(yīng)堆為超臨界水堆,反應(yīng)堆主要特征于2019—2020 年確定,主要特點(diǎn)是超臨界蒸汽參數(shù)和可調(diào)中子能譜,熱效率可達(dá)45%,將使用MOX 燃料和釷燃料,增殖比達(dá)到1 以上,建設(shè)費(fèi)用低,安全性提高。當(dāng)前研發(fā)計(jì)劃是在2026年前形成主要設(shè)備和輔助設(shè)備的制造技術(shù)、核燃料制造技術(shù)的方案等。俄羅斯還打算建設(shè)小功率超臨界水堆作為多用途實(shí)驗(yàn)堆,用于VVER-SKD 實(shí)驗(yàn)燃料元件和結(jié)構(gòu)材料輻照試驗(yàn)等,近年已提出3萬千瓦反應(yīng)堆設(shè)計(jì)。

        2 鈉冷快堆發(fā)展方向

        鈉冷快堆是俄羅斯技術(shù)進(jìn)展最好的液態(tài)金屬冷卻快堆,已經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)堆(BR-5、BOR-60)、原型堆(BN-350、BN-600)和商用示范堆(BN-800)多個(gè)階段,反應(yīng)堆技術(shù)成熟,現(xiàn)階段任務(wù)是示范閉式燃料循環(huán)。首座BN-800即別洛雅爾斯克4號機(jī)組將在2022 年夏季逐步過渡到全堆芯MOX燃料運(yùn)行,以實(shí)現(xiàn)閉式燃料循環(huán)示范。

        鈉冷快堆下一步發(fā)展方向是批量化建設(shè)有足夠經(jīng)濟(jì)競爭力的大型機(jī)組BN-1200M。俄羅斯在BN-800建設(shè)時(shí)期,確定了120萬千瓦堆型的設(shè)計(jì)目標(biāo),2014年完成BN-1200基本設(shè)計(jì)。為達(dá)到更高運(yùn)行效能和經(jīng)濟(jì)競爭力,俄羅斯2017年啟動(dòng)BN-1200改進(jìn)工作,稱BN-1200M。與BN-800相比,BN-1200M運(yùn)行壽期從45年延長到60年,燃耗、嚴(yán)重事故概率、單位功率的金屬用量等性能均大幅改善,可使用MOX 燃料或鈾钚混合氮化物燃料,目前還在繼續(xù)開展技術(shù)參數(shù)和經(jīng)濟(jì)性改進(jìn)、可行性評價(jià),以及反應(yīng)堆設(shè)備試驗(yàn)研究與驗(yàn)證等,后續(xù)還將開展全尺寸堆芯臨界臺架實(shí)驗(yàn)等。別洛雅爾斯克5 號機(jī)組將采用BN-1200M設(shè)計(jì)。這已被列入政府批準(zhǔn)的2035年前核電廠建設(shè)計(jì)劃。

        3 鉛冷快堆發(fā)展方向

        俄羅斯2010 年啟動(dòng)“突破”項(xiàng)目,聚焦研發(fā)建設(shè)由原型鉛冷快堆BREST-OD-300 以及配套閉式燃料循環(huán)設(shè)施構(gòu)成的“中試示范能源綜合體”。BREST-OD-300 于2021 年6 月啟動(dòng)建設(shè),將采用鈾钚混合氮化物燃料,預(yù)計(jì)2026年投入運(yùn)行,主要用于獲得運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),驗(yàn)證鉛冷快堆的安全性和經(jīng)濟(jì)性,給未來BR-1200商用堆奠定基礎(chǔ)。

        鉛冷快堆的下一步發(fā)展方向是建設(shè)大型鉛冷快堆BR-1200。BR-1200 在2019 年形成概念設(shè)計(jì),反應(yīng)堆廠房總體尺度顯著小于同等裝機(jī)容量的VVER 反應(yīng)堆,從而提升經(jīng)濟(jì)性,建設(shè)費(fèi)用比VVER-TOI 下降20%,發(fā)電效率可達(dá)到44%。俄原集團(tuán)認(rèn)為可在2030年前啟動(dòng)反應(yīng)堆建設(shè)。

        4 熔鹽堆發(fā)展方向

        俄羅斯過去對熔鹽堆僅開展了理論研究。鑒于其固有安全性、閉式燃料循環(huán)、焚燒長壽命錒系元素等優(yōu)勢,近年來將熔鹽堆也納入了核工業(yè)發(fā)展國家計(jì)劃。熔鹽堆發(fā)展的第一步將建設(shè)一座實(shí)驗(yàn)熔鹽堆及其乏燃料后處理模塊。

        實(shí)驗(yàn)堆熱功率不超過1萬千瓦,以VVER乏燃料后處理后的四氟化钚溶解于氟化鋰鈹鹽的混合物作為燃料。建設(shè)地點(diǎn)位于礦業(yè)與化學(xué)聯(lián)合體,計(jì)劃2024年完成設(shè)計(jì),2027年申請建設(shè)許可證,2031 年啟動(dòng)建設(shè)。俄原集團(tuán)2021 年啟動(dòng)的工作涉及熔鹽堆中子物理學(xué)軟件、合金結(jié)構(gòu)材料生產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等,2022 年生產(chǎn)出第一批氟化鋰鈹鹽,還計(jì)劃在2027 年建成實(shí)驗(yàn)熔鹽堆主要部件的全尺寸原型測試臺架。

        5 小結(jié)

        在發(fā)展“二元核能體系”戰(zhàn)略下,為達(dá)到提升閉式燃料循環(huán)能力、降低天然鈾需求、減少放射性廢物量等目標(biāo),提升核能可持續(xù)發(fā)展能力,俄羅斯推動(dòng)支持閉式燃料循環(huán)的新型核能堆型發(fā)展布局,從多條堆型路線上原創(chuàng)性地提出新解決方案,布局了一系列發(fā)展方向,為未來核能發(fā)展奠定技術(shù)儲(chǔ)備。

        根據(jù)已有技術(shù)發(fā)展水平的差異,俄羅斯新技術(shù)布局和進(jìn)度設(shè)想主要包括:(1)成熟技術(shù)優(yōu)化,在成熟的VVER-1200 壓水堆基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),發(fā)展中子能譜可調(diào)的VVER-S大型商用機(jī)組,計(jì)劃2030 年前建成;(2)完成技術(shù)驗(yàn)證,發(fā)展大型商用堆,一是計(jì)劃2035 年前建成大型商用鈉冷快堆BN-1200M,二是期望在2030年啟動(dòng)大型商用鉛冷快堆BR-1200建設(shè);(3)對超臨界水堆、熔鹽堆等基礎(chǔ)薄弱、技術(shù)尚未成熟的堆型,近期重點(diǎn)開展關(guān)鍵技術(shù)研發(fā),準(zhǔn)備建設(shè)實(shí)驗(yàn)堆,熔鹽堆實(shí)驗(yàn)堆可能在2030年左右開始建設(shè)。

        上述新堆型技術(shù)開發(fā)將加強(qiáng)俄羅斯核能工業(yè)技術(shù)儲(chǔ)備,提升其未來發(fā)展?jié)摿εc競爭力,但是新堆型技術(shù)研發(fā)周期長、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大。尤其是超臨界水堆、熔鹽堆技術(shù)基礎(chǔ)薄弱,且俄羅斯經(jīng)費(fèi)和資源保障能力欠缺,核工業(yè)重大工程項(xiàng)目屢屢拖期。這些新堆型是否都能如期取得進(jìn)展,尚存在較大的不確定性。

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