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展望第四代核能系统之一:超临界水堆

 

——专访彭士禄院士

 

                            本刊记者 李照煦 卫广刚

Future outlook of the fourth-generation nuclear energy

systemsSupercritical water-cooled reactor

Special interview with academician PENG Shilu

 

     编者按:近年来,世界各国提出了许多新核反应堆设计和核燃料循环方案。2001年,美国、法国、日本等10个国家组成了“第四代国际核能论坛”(简称GIF),约定共同研发第四代核能系统,使其在安全性、经济性、可持续发展、防核扩散等方面都有显著的先进性和竞争力。20)年,GIF在法国巴黎举行研讨会,选定了6种堆型作为第四代核能系统优先研发对象,这其中就包括超临界水冷堆。近日,本刊记者就相关问题专访了彭士禄院士。

 

《中国核电》:GIF是一个什么样的组织?

 

彭士禄:GIF是“第四代国际核能论坛”的简称,英文全称是Generation IV Nuclear nergy InternationalForum。它是20011月,在美国能源部的倡议下,由美国、法国、日本、英国、加拿大、阿根廷、南非、巴西、韩国、瑞士等10个国家专家联合组成的,目标是在2030年或更早一些时间创新性地开发出第四代核能系统,使其在安全性、经济性、可持续发展、防扩散等方面都有显著的先进性和竞争力,不仅要考虑研发用于发电等的核反应堆装置,还把核燃料循环也包括在内,组定完整的核能利用系统。

 

《中国核电》:GIF目前选定了哪几种堆型作为第四代核能系统优先研发对象?

 

彭士禄:20025月,GIF在法国巴黎举行研讨会,选定了6种堆型作为第四代核能系统的优先研发对象,其中3种是热中子堆,另外3种是快中子堆。热中子堆包括超临界水冷堆(SCWRSupercritical Water cooled ReactOr)、超高温气冷堆(VHTRVerYhightem perature gas COoled eactor)、熔盐堆(MSRMolten SaltReactor),快中子堆包括钠冷快堆(sFRSOdiUmcOOled fastReactor)、铅冷快堆(LFRLeadcooled fastReactor)、气冷快堆(GFRGascooledfast Reactor)

 

《中国核电》:GIF有没有具体的实施计划?

 

彭士禄:有。GIF已经提出了从概念设计到商用实施的“路线图”,具体需要经过4个步骤:

      第一步:可存在性研究,即证明这些堆型原则上是可行的。

      第二步:性能研究,即工程规模的研究开发和优化,使其性能达到期望的水平。

      第三步:系统示范,即建造中等或较大规模的示范系统来检验设计。

      第四步:商用实施,即规模性的建造商用堆。

      目前,GIF只是对第一步和第二步做了安排和分工,尚未进行第三步和第四步。

 

《中国核电》:请您介绍一下超临界水冷堆?

 

彭士禄:超临界水冷堆是在水的热力学临界点(374221 MPa)以上运行的高温、高压水冷反应堆。超临界水冷却的热效率比目前轻水反应堆高出13,同时也简化了核电厂配套系统和设施。

由于冷却剂在反应堆中不发生相变,且直接与能源转化设备耦合,所以也无“压水堆”、“沸水堆”之分。堆芯核燃料为氧化铀芯块,包壳采用耐高温的高强度镍合金或不锈钢。同时超临界水冷堆也引入了非能动安全性。

 

《中国核电》:超临界水冷堆有哪些优点?

 

彭士禄:超临界水冷堆具有安全性、高效性、经济性、可持续发展等多方面优点。

      首先,超临界水冷堆具有固有安全性,无论发生什么故障都可以得到安全控制,它的几个辅助安全系统完全可以利用我国引进的AP1000第三代核电站的非能动技术。

      其次,超临界水冷堆采用水作为慢化剂和冷却剂。水是易取得和便宜的物质,且其化学物理性质清楚,便于应用。超临界水冷堆在250个大气压下工作,其出口温度可达500以上,所以可将目前压水堆核电站的净热效率从33%左右提高44%以上。由于热效率提高了10%以上,可节省核燃料25%左右,即3个百万千万级压水堆的核装料可装配4个百万千万级的超临界水冷堆。

      第三,超临界水冷堆具有灵活性,在一些技术上可以充分利用我国超临界火电厂的技术,比如,将反应堆代替超临界锅炉即为超临界核电厂。我国目前已经建成超临界和超超临界火电机组40多个,单机容量30万、50万、80万、90万、100万千瓦的都有,这说明我国的超临界技术已经很成熟了,完全可以用在超临界水冷堆上。此外超临界水冷堆的堆芯紧凑化布置,很容易转

化为快中子堆,这也体现了它的灵活性。

      第四,超临界水冷堆在节省材料方面也有优势。它的一回路系统最为简化,取消了压水堆中的主蒸汽发生器、稳压器、主循环泵等,由超临界水经过减压后直接向主汽轮机供气,所以节省了大量堆结构材料。

《中国核电》:请您具体介绍一下超I临界水冷堆的经济性?

彭士禄:超临界水冷堆在经济性上具有很强的竞争力,这也是GIF优先研发它的主要原因之一。据GIF估计,一座百万千万级的超临界水冷堆核电站造价约为900美元每千乩,电价约为29美分每千瓦时。目前我国在建的核电站:方家山压水堆核电站比投资约为13000元每千瓦,三门AP10000核电站比投资约为16000元每千瓦,高温气冷堆比投资约为16000元每千瓦。由此可见,超临界水冷堆在比投资上都比上述核电站便宜,3座百万千瓦级的压水堆核电站的造价可以建4座百万千瓦级的超临界水冷堆核电站。

 

《中国核电》:目前,超临界水冷堆存在哪些亟待解决的问题?

 

彭士禄:超临界水冷堆优点很多,但也有一些亟待解决的问题。如:反应堆压力容器的制造,堆内构件绝热材料的研制,设备密封材料的研制,稳定性分析和控制等,这些都是要解决的问题。

 

《中国核电》:请您介绍一下我国在第四代核能系统研制上的进展情况。

 

彭士禄:应该说我国一直非常重视第四代核能系统的研发工作。如,中国原子能科学研究院的中国实验快堆,就属于钠冷快堆。我们先搞实验快堆,再发展示范快堆,然后是大型增殖经济验证性快堆,继而商用推广;清华大学核研院已经建成10MW的模块式高温气冷堆,也是为研制第四代核能系统打基础;此外我国在热核聚变方面的研究也取得了很大的进展,可以说,我国核能利用的发展前景越来越广阔。

 

       彭士禄,核动力专家。192711月生于广东海丰,1956年毕业于苏联莫斯科化工机械学院,1958年修毕于莫斯科动力学院核动力专业。曾任六机部副部长兼总工程师、水电部部长、大亚湾核电站总指挥、秦山二期核电站首任董事长,现任中国核工业集团公司科技顾问,兼任中国核学会名誉理事长、核动力学会理事长。1994年当选为中国工程院院士。曾获国家科技进步特等奖、全国科技大会奖、国防科工委荣誉奖。1996年获何梁何利技术科学奖。

 
 
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