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    清华大学核能与新能源技术设计研究院田嘉夫教授项目团队利用我国高温气冷堆已有的燃料球做成规则球床模块堆,配合成熟的燃气蒸汽联合循环,使双燃料运行的热效率达到60%,在满足1000MWe发电要求时,仅用两座2×417MWt小堆,不仅安全性好,技术设备成熟度高,总投资也会低于全核电投资的50%,能够满足多国电网基荷和调峰的需要。

设计规则床模块式高温气冷堆技术

助力我国核电站和核动力技术创新

项目完成单位 :清华大学核能与新能源技术设计研究院

项目完成人 :田嘉夫

核电是一项较新的工程技术,高温气冷堆是第四代核电技术路线之一,其出口温度高、热效率高和固有安全的特点为核能的和平利用开辟了新的道路。高温气冷堆在几十年研究中,一直存在两种堆型,即柱状燃料堆和球形燃料堆,两种堆型各自存在本身特有的问题。

柱状燃料堆由于燃料块体积大,加工制造和辐照考验困难,在堆内的辐照变形出现间隙和振动问题也难以解决,目前还处于建造大型实验堆的前期。不过它的模块化设计性能,如单堆功率、输出温度和热电转换效率都好于球形燃料堆。

球形燃料堆近来的研究,发现了一些不容忽视的影响安全运行的问题。例如,在过去德国球床实验堆 AVR上,曾发现吸附裂变产物的石墨粉尘达 50 ~ 60,kg 之多。如果当时发生氦气泄漏事故,很可能造成放射性外泄,甚至发生高温石墨粉遇到空气爆燃或火灾等事故。大量石墨粉不仅使反应堆退役遇到困难,而且现有安全壳设计也不能满足安全要求。主要原因是运行过程中,所有燃料球都在不停的旋转和移动,因此产生大量石墨粉。

另外,高温下燃料球移动规律不可能在常温实验条件下获得,高温摩擦阻力变大,移动特性不十分清楚,很可能在某些边角处有结晶化倾向,造成移动速度过慢,引发燃耗超限,产生不应有的放射性释放。燃料球移动又导致轴向功率分布严重不均,使平均功率降低一倍以上。

我国的高温气冷堆技术选择了球床高温气冷堆的方向,清华大学田嘉夫教授从 20 世纪 60 年代开始致力于先进核反应堆开发研究工作,在高温气冷堆技术中提出了规则球床的研究方向,在实验研究上取得了丰硕的创新成果。

    1 创新成果

    1.1 高温气冷堆的改进——规则床模块式高温气冷堆

挑战面前存在机遇。田嘉夫教授团队利用两种实验堆经验,去劣存优创新了一种基于两类堆型而高于两类堆型的高温气冷堆成熟技术,即规则床模块式高温气冷堆。规则床模块高温气冷堆将燃料球在堆芯的随机堆积转变成有序排列的一种设计。规则堆积可在一定几何形状的堆芯空腔内,由随机落入的燃料球自动排列,形成一种结晶状的密实体。这种改进能全面提升反应堆性能和参数,排除球形燃料堆设计中的不确定因素,简化堆体结构和运行方式,使燃料装卸运输和贮存发生重大变化。特别是它能建立一种燃料元件在大小堆循环利用的方法,使小堆燃料成本大大降低,开辟出中小反应堆广阔的应用前景。

规则床模块式高温气冷堆的燃料是球形元件,堆积到堆芯就形成“结晶式”的固定结构,不仅有规则的堆芯外形和更高的堆积密度,而且有径向和轴向的功率展平,实现定期换料。运行中燃料球没有移动,就排除了球床堆的问题,同样也没有柱状堆的问题。它的设计性能,如单堆功率、输出温度和热电转换效率都接近和高于柱状燃料堆,设计后的断面图形很像柱状堆(见图 1)。如果采用高温气冷堆较小的压力壳,以及配套的风机等设备,堆芯直径 3,m,堆芯高 8,m,在现有安全限值下,热功率就可以达到400,MWt。规则球床堆芯体积变小了,功率变高了。

  1.2 高温气冷堆与燃气蒸汽联合循环结合

大容量高效率的燃气轮机及其联合循环是世界电力工业发展的一个趋势,它既能节省日趋紧张的能源资源,又有利于保护环境。燃气轮机的优点是效率高、排污指标低、建设周期短、占地和用水量少、启动灵活、自动化程度高等。简单循环燃气轮机的功率已超过 280,MW,净效率达到 40% ;联合循环的单机功率超过 390,MW,净效率达到 60%,而较先进的超超临界燃煤机组的热效率仅仅为 45% 左右。因此,随着天然气资源的广泛开发和应用,燃气轮机及其联合循环机组已成为世界上电力工业的主力机型,我国已经成功开发出大型燃气轮机(见图 2)。

我国主要因为天然气资源条件和燃料价格偏高的限制,发展受到制约。过去一直把燃气轮机定位为备用电源或调峰机组。近来随着国家西气东输、东海油气和进口液化天然气等项目的进展,已经准备快速提升天然气工业的开发速度。但是,面对数量庞大的燃煤机组的替换任务,燃气蒸汽联合循环发电的高成本也是难于逾越的障碍。

规则床模块式高温气冷堆是在柱状实验堆和球床实验堆多年实验运行的基础上,排除各自在实验中发现的问题而设计出的新堆型,是设计成熟的高温堆。高温气冷堆的热电转换以前有两种方式,一种是将冷却堆芯的氦气,直接进入氦气轮机发电。另一种是高温氦气经过热交换,与高参数蒸汽轮机配合,能达到 42% 以上的热电转换效率,但存在高压蒸汽漏入堆芯引发严重核事故的可能性。

田嘉夫教授团队提出的能量转换方式是高温气冷堆与燃气蒸汽联合循环机组配合,技术成熟而且具有一系列优异性能。天然气燃气蒸汽联合循环是国际上商用成熟技术,已经具有一定规模的使用经验。在核能与联合循环的工艺流程中,空气被压缩以后首先由核能加热,即通过氦气与压缩空气热交换,被加热至 800℃(以后可能提高至 950℃)后,再进入天然气燃烧室及燃气蒸汽联合循环系统(见封底图)。联合循环的流量和压比等设计参数需要考虑与核能联合的新特点,其中压缩机最好有中间冷却,获得压比高和温度低的参数,将更有利于核能的应用。

    1.3 双燃料清洁能源大型发电站

将高温气冷堆与燃气蒸汽联合循环机组配合,称为双燃料清洁能源大型发电站。双燃料清洁能源大型发电站具有鲜明的特性。可以在初步预测的参数下,分析新联合系统的技术性能和应用特点。假如空气压缩后,温度为 220℃,氦气回路在换热器的入出口温度为 850℃和250℃,高温气冷堆的热功率为 400,MW,压缩空气被加热到 800℃,假如加入天然气的燃烧功率为 400,MW,燃气轮机初温可以达到 1,380℃,燃气蒸汽联合循环的热电效率能够达到 60%。这种核能燃气蒸汽联合循环可以有 3 种运行和应用方式。

(1)核能小堆基本负荷运行。核能燃气蒸汽联合循环的基础是高温气冷堆配合空气布雷顿循环,是一个典型的小堆设计,不加入其他燃料时只消耗核燃料,球的循环利用可以达到深燃耗,适合供应基本负荷。燃气蒸汽联合循环的许多优点也都能显现出来,特别是它需要的冷却水量少,厂址选择更容易,能够在不靠近海洋和大河流的内陆地区建设。

(2)双燃料满功率运行。在具有天然气源的地区,以上述小堆为基础,在燃烧室加入天然气,以双燃料方式运行。这相当于同时建造了大型核电站和大型燃气电站,与 1,000,MWe 级的核电站相比,大大提高了安全性,已成为第 4 代小型核电的安全水平。大大降低投资,具有 1,000,MWe 发电能力,其中核电仅为 334,MWe(两座小堆),估计其总投资仅为大型核电的 50%。在核电成本中,投资影响占 60% ~ 70% 的主要成分,总投资的降低使核电成本下降。在燃料费中,核燃料利用从来没有如此高的 60% 发电效率,在经济上独占优势。从天然气利用的角度来看,与单独燃气电站相比,同样达到 60%效率,决定电价的天然气燃料费几乎降低至 50%。总之,这种双燃料系统是利用了高投资低燃料费的核能与低投资高燃料费和高效率的燃气蒸汽联合循环相结合,产生的新型发电系统具有明显的经济竞争力。

(3)双燃料调峰运行。由于系统内压缩空气被核热源加热到 800℃以上,加入的天然气可以是任何比例,能在极短时间内将功率提升到所需要的水平,这种特性正是电网调峰所需要的。因此,核能燃气蒸汽联合循环以核能供应基本负荷,以天然气供应尖峰负荷,成为既能带基荷又能调峰的机组,电网对此有广泛需求。特别是将核能、天然气配合风能,以组合形式建设。以核能和风能满足基本电力需要,当风力不足时,由少量天然气补充,这样可以避免“弃风”,更有效地发挥风力可再生能源效益,获得清洁能源综合性的良好的环境效益和经济效益。

双燃料新型发电站适合国情,可以充分发挥清洁能源的优势,有利于解决燃煤电站效率低、污染大的问题,转变电力能源结构,支持国民经济可持续发展。

    2 扩展应用前景

核能用于商船推进动力的研究已经进行了几十年,除了在破冰船上有些应用外,试验性的核动力商船还没有取得商业运营的成功。其中主要原因是压水堆型造成的,因为船用堆远远小于商用发电压水堆的经济规模,而且在船上的压水堆燃料更换极其困难,只好延长换料期,导致燃料成本高而燃料利用率低。因此现有的船舶核动力仅能用于有限的军事目的,还不能实现商业化应用。

模块式高温气冷堆具有固有安全性,排除了发生严重事故的可能,简化了反应堆系统,有合适的中小功率规模,高温高效率,以及能够直接与燃气轮机耦合等特性,正是先进船舶推进动力所需要的。规则床堆芯有球形燃料堆积体结构,自动排除堆芯辐照间隙,耐振动抗冲击,具有船舶应用需要的安全性、稳定性和抗震性。特别是它的动力系统,包括压力容器及能量转换容器,有可能水平布置,以及船用小堆可能大幅度降低燃料成本等重要特性,展现出商用船舶核动力可行的应用前景(见图 3)。

另外,有舆论认为 :中国在高温气冷核反应推的小型化等技术上取得的重大进展,已有潜力为舰艇甚至飞机开发以这种核反应堆为核心的新型动力系统。凭借这种尖端技术,中国可能先于其他国家打造出移动核动力装置(见封底图)。

封底图

    3 结 语

具有第四代安全经济特性的核电应该是人们期待的先进的清洁低碳能源。高温气冷堆是当今研发的第四代核电堆型之一,过去的设计还存在需要排除的严重的安全隐患。堆芯不熔化,不等于说不会有严重事故发生。需要吸取国外球床高温堆和柱状高温堆两种实验堆型运行的经验教训、扩展安全观念和应对安全低概率事件,确保反应堆不出现后果极其严重的放射性释放事故。当热电转换系统采用与燃气蒸汽联合循环耦合应用的技术以后,会发挥高温堆所长,更大地提升转换效率,形成一种高安全低投资和高效率的双燃料清洁能源,可用于大堆或小堆的应用环境,可满足电力系统基本负荷和调锋负荷的需要。在工程设计上采取一系列改进和创新措施,包括采用规则床模块化及地下反应堆设计以后,可在提高反应堆核心部位安全防卫能力的同时,防范低概率事件,成为一种新的安全经济高效的先进能源。

 
 
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