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1.高温气冷堆的技术进展

气体冷却反应堆与水冷却反应堆一样都是最早开发研究的堆型。初期由二氧化碳气体冷却的这种反应堆在发电的同时还生产裂变元素钚。但由于采用低富集铀的水冷堆在技术与经济上的优势而被其超越,气冷堆仅在英国得到商用发电应用。经过几十年的研究发展,气冷堆技术显现出许多优越性。其中工作温度高,热能转换效率高的堆型,被称为高温气冷堆。高温气冷堆是以耐高温陶瓷型包覆颗粒为燃料,以具有化学惰性和反应性惰性的氦气为冷却剂,以耐高温石墨为慢化剂、反射层和结构材料。由于没有金属材料,冷却剂出口温度可以达到和超过950℃,发电效率能够比水冷堆高出40%。除发电外,还能作为高温工艺用热以及高效率制氢的供热能源。

上世纪80年代,德国科学家提出的高温气冷堆模块化设计概念,排除了堆芯熔化和发生严重事故的可能,提高了反应堆的固有安全性。使它从第2代和第3代核电堆型中脱颖而出,具备了第4代堆得一些特点。固有安全性设计省去了冗余的安全设置,省去了承压安全壳,简化了反应堆系统和结构。有更宽容的选址适用范围,可以靠近城市或人口密集区域。另外,模块化设计可以直接耦合氦气透平机组,使能量转换系统更简单,发电效率更高。它的高度的反应堆安全性、颗粒燃料良好的防核扩散性能,以及高效率发电和制氢能力,在国际上受到广泛重视,被列为第四代先进核能系统中优先发展的堆型之一。

前些年,很多国家都积极地投入了开发研制工作。中国和日本分别建造了小型高温气冷实验堆,即中国的10 MW球形燃料堆(HTR-10)及日本的30 MW柱状燃料堆(HTTR)。为扩大商用堆单堆功率规模都采用环形堆芯设计,在原柱状燃料堆实验的基础上,美国和俄国联合设计了柱状燃料模块堆(GT-MHR),日本也设计了柱状燃料模块堆(GTHTR300),单堆热功率均为600 MW,电功率接近300 MW。在原德国卵石床堆(球形燃料堆)实验的基础上,中国和南非分别设计了球形燃料模块堆(HTR-PM及PBMR),热功率为458和400 MW,电功率为195和165 MW。

多年来球形燃料堆和柱状燃料堆形成了两套设计体系,它们的主要区别是堆芯燃料元件形状和尺寸的不同,一个是六角形棱柱燃料,另一个是球形燃料,见图1。

模块化设计的单堆功率较小,提高功率改善反应堆经济性是一个主要研究课题。为达到商用核电的经济规模,美国设想4×600 MW组合的柱状燃料堆,总电功率接近1200 MW,但却认为缺乏经济竞争力。球形燃料堆的功率规模更小,和柱状燃料堆一样设计上也存在一些技术问题,如果仅仅停留在80年代以前AVR及THTR卵石床堆的研究水平上,单堆功率甚至还不能实现上述规模,恐怕很难成为经济上有竞争力的第4代核电堆型。

图1 球形燃料元件及柱状燃料元件
Fig.1 Spherical and prismatic fuel elements

2.卵石床堆存在的问题

      卵石床堆的堆芯结构与其它各种堆型截然不同,它是堆芯结构设计上的一次巨大变革。首先,卵石床堆能够成功运行说明了包含覆盖颗粒的独一无二的球形燃料的成功;其次,说明了燃料球以极其简单的方式——卵石随机堆积形式——构成堆芯的成功。这种构成堆芯方式不同于现有其它各种类型反应堆,如:压水堆、沸水堆、重水堆以及快中子增殖堆,它们都是将燃料元件做成结构复杂的燃料组件,其中包括一些弹性元件及保持冷却剂均匀分布的元件,再将组件安置在更为复杂的堆芯结构内。这样它们才能适应强辐照、高温、高流速以及高热负荷的环境,承受高燃耗下的肿胀、变形甚至破损的影响。而卵石床能够适应这种严酷的环境,但构成方式却异常简单,就如同从卡车上把“卵石”卸到空腔一样。这种堆芯结构虽然简单,但不够完善,球形燃料元件潜在的巨大优越性还没有表现出来。

      对现有的高温气冷堆研究后发现,卵石床堆存在一些技术问题,参见文献[1]。过分简单的随机堆积方式不能满足反应堆多方面的技术要求,特别是在模块化设计中,显现出很多不足和缺憾:

  •       反应堆运行过程中“燃料卵石”从上向下移动,燃料燃耗从上到下逐渐加深,造成堆芯功率分布极不均匀。为了减缓这种影响,只好提高卵石流动速度,使它们平均6次或10次穿过堆芯后达到目标燃耗。这样做的结果,增加了装卸机构的负担和卵石的磨损,产生更多的石墨粉。虽然功率均匀性好一些,但还不能达到展平的效果。功率分布不均匀系数的设计值在4.5左右,与此相比,现代压水堆的不均匀系数仅为2.6。这也是导致卵石床模块堆功率密度低,单堆功率小的原因之一;
  •       卵石的随机堆积使燃料装入后不能实验测量中子注量率和功率分布,而且很难监测可能产生的局部密实化(结晶化),对温度分布和功率分布增大了不确定性,限制了输出功率和温度的提高,这也是对AVR实验堆安全性产生怀疑和争议的原因之一;
  •       冷却剂穿过卵石床堆芯的阻力很大,这是造成功率密度低和循环热效率低的又一重要原因。

由于这些问题的存在,反应堆的一些主要技术性能远不如柱状燃料高温气冷堆,详细分析见文献[2]。这主要是因为卵石以“无序”和“随机”的状态散装在堆芯内造成的,对卵石床进行改进是必要的,可能的,也是容易实现的。

3.卵石床堆的改进

虽然卵石床堆不能像压水堆燃料元件那样做成组件,再由组件构成堆芯,但每个燃料球是可以在堆芯内有固定位置,从而改善因散装状态造成的问题。首先,燃料球不应该被简单地看成“卵石”,因为卵石一般是指大小不一形态各异的石块,随机堆积是它唯一的堆放形式。球在随机堆积中,球体重力和球间摩擦力形成一种较松散的平衡体系,其空隙率大约为39%,见图2。但燃料球不同,它是经过精密加工尺寸精确和形状规则的球体,除随机堆积外,它还可以呈现规则堆积。正四棱锥堆积就是规则堆积之一,在水平的底面上,加工很多半球形凹陷,使落入的燃料球成正方形排列,每4个球的中心又形成新的凹陷,它又成为次一层球的位置,以此层层累积形成正四棱锥规则堆积,见图3。美国布鲁克海文实验室在上世纪60年代,曾提出利用这种规则堆积形式构成钠冷快中子增殖堆堆芯,并进行了许多规则床的实验研究[3]。有关规则床模块堆的技术特性,详见文献[2]。

                   

2 两色球的随机堆积                                 3 两色球正四棱锥规则堆积

       Fig.2 The random packing of two color spheres    Fig.3 The ordered packing of two color spheres

当采用有间隙正四棱锥规则堆积及一些特殊装卸燃料措施以后,规则堆积完全能够适应模块式高温气冷堆堆芯结构要求。燃料球一次装入和卸出,放弃连续换料,以批换料方式运行。构成的堆芯横截面呈八角形,如果是有中心石墨柱的环形堆芯,就可以做成八角形环形堆芯,能满足规则堆积要求,它的八分之一模型见图4。如图4所示,只要堆芯空腔底面和侧壁做成这种几何形状,由顶部随机落入的燃料球,就会依次排列成规则堆积床。有关规则床模块式高温气冷堆概念设计及燃料装卸特点,详见文献[4,5]。

规则床模块式高温气冷堆堆芯是一种新颖的堆芯结构设计,它在多方面改变了卵石床模块堆特性。卵石床堆存在的高温下石墨摩擦系数高,影响球床流动特性和产生石墨粉问题,以及球床局部密实化的问题,在规则床中都不存在。由于规则床内分布有直通孔道,在反应堆启动阶段,可以实验测量中子注量率和功率分布,冷却剂流道也十分规则,能够准确预测堆内温度分布。

4 八角形环形堆芯八分之一堆积模型

Fig.4 One eighth simulator of octagonal core

4.规则床模块堆的优越特性

球形燃料元件从随机堆积到有序排列的改变,对反应堆物理、热工和结构设计,反应堆运行方式以及扩展反应堆应用领域都产生重要影响,现简述如下:

4.1.提高反应堆性能和参数

堆芯燃料球有固定的位置,可将不同燃耗深度的燃料球或石墨球分配到轴向和径向的预定位置,能够精细地展平两维空间的功率和温度分布,改变了卵石床堆功率和温度分布极其不均匀的状态。结晶化的密实体堆芯具有结构适应性和稳定性,允许冷却剂以多流程或水平方向流经堆芯,不会因流动压力和方向的改变而造成球床密度变化,大大降低了球床流动阻力。提高了反应堆比功率、冷却剂出口平均温度和热能转换效率。单堆热功率预计可从卵石床堆的400 MW,提高到800 MW以上,而热能转换效率可以从卵石床堆的41%,提高到接近柱状燃料模块堆设计值47%,这将对模块式高温气冷堆的经济性产生重大影响。有可能利用3座或2座模块堆就能达到商用核电的经济规模。

4.2. 排除了卵石床堆设计不确定因素

球形燃料元件不同于柱状燃料元件和其它类型反应堆的燃料元件,它特有的优点是品种单一、便于批量生产、结构强度高、辐照稳定性好,便于装卸、运输和贮存等。规则床模块堆除保留了这些优点外,还排除了卵石床堆设计中的一些不确定因素。譬如:靠近堆芯的反射层石墨块在反应堆寿期内需要更换,在结构设计上更换反射层石墨块是很困难的,由于石墨材料耐辐照数据不足,更换周期也难以确定,甚至对这种堆型的开发产生疑虑。规则床设计则可以在这种强快中子辐照区以石墨球代替石墨块,从而减少和避免石墨块的更换。另外,为了解卵石床堆燃料球在堆芯内的流动规律,只能在冷态下做些实验,还不能模拟热态下石墨间摩擦系数增大后的情况。但是,球流规律却需要输入反应堆物理热工设计计算程序,去预测堆内温度和功率分布。如果预测不够准确,还会发生过热或过燃耗情况。反应堆长年运行情况是复杂的,不会一成不变地遵守球流对应燃耗分布的规律,例如,运行中出现设备故障,会改变球的流动与燃耗的对应关系,甚至有时可能需要卸出全部燃料,当再装入堆芯时,就没有燃耗分布规律了,会造成运行工况异常复杂。在规则床堆芯内,不存在这些问题。

4.3.堆体结构和运行方式简化

卵石床堆芯有上气腔、上堆积锥及下出口锥等不规则形状。规则床堆芯上下两端是平面,没有气腔,紧靠石墨反射层,堆芯几何形状为八角形柱体或八角形有石墨芯柱体,形状规则。它的反应堆物理、热工设计是简单的。卵石床堆芯有又粗又长的燃料球出口管,当堆芯较小时,出口管也需要同样尺寸,不仅占用更多燃料球,还使小堆的应用受到限制。规则床不需要堆底卸料,没有出球管,简化了复杂的堆底结构,也减小了压力壳尺寸。

规则床堆像通常反应堆那样以定期停堆换料方式运行,换料操作只在停堆和低温低压条件下进行,不需要在运行中装入和卸出燃料,也就没有在高温高压和强放射性条件下维护换料设备的需要。
  
4.4.燃料装卸运输和贮存发生重大变化
 

规则床堆定期停堆换料与压水堆的运行方式相同,但换料操作大不相同。因为60 mm直径的燃料球,可以在管道内自由输送,容易设置防护和进行强放射性操作。当进行堆芯换料时,只需要打开压力壳上的一些开孔,不需打开压力壳封头,不需深水防护,不需要庞大的操作空间和换料厂房。按照文献[2]所述的装卸料方法,预计停堆换料所需时间也会短于压水堆的时间。同样,它的转移也不需要水下运输和水池贮存,是一种较简单的干法运输和贮存,因此它会给反应堆的设计和更广泛的应用带来革命性变化。

4.5.创建新的燃料元件循环利用系统

燃料球便于装卸和运输,反应堆卸出的燃料球经过燃耗测量,可分辩出它们不同的燃耗深度,这些用过的燃料球与新燃料球恰好是批换料装入新堆芯的需要。在功率较大的规则床堆内,燃料球经过多次使用,几乎都能达到包覆粒子燃料特有的深燃耗(80000~120000 MWD/tU),因此可获得较高的燃料经济性。在功率较小的规则床堆内,所需燃料富集度高而卸出的燃料还不能达到目标燃耗。但燃料球可以不仅仅用在一座堆上,而是用于由许多大小堆组成的一个燃料球循环利用系统,完全不同于压水堆燃料组件只能用于一个特定反应堆的特性。按照这一系统的需要生产新燃料球,最终都平均达到目标燃耗,这将带来核燃料利用的一次重大革新。燃料球循环利用系统见图5。在图5所示的系统中,大小堆共享燃料成本,它的重要意义就在于小堆燃料成本显著降低,是以前任何小型动力堆所没有的低成本。再加上,模块式高温气冷堆特有的固有安全性,使核能有可能以中小功率规模,例如热功率在200~400 MW及20~200 MW,以低于煤炭、石油、天然气或电力成本,供应清洁的电能或热能。燃料成本的显著降低是中小规模动力堆应用的重要突破,在世界上将会有庞大的市场需求。

图5 燃料球循环利用系统 
Fig.5 Fuel sphere cycle utilization system

4.6.规则床模块堆可能应用于更广泛领域

4.6.1.中小型反应堆市场和分布式能源

由2~3个规则床模块堆组成大型核电站,具有对商用压水堆的竞争能力。但它更具竞争优势的是中小功率规模,也可能进入压水堆尚未涉及的领域。由于一些发展中国家电网规模较小,或一些基础设施不够完善的边远地区,都希望得到中小规模的核能源。有些工艺用热或热电联供的用户,也只能匹配中小规模。虽然规模小比投资相对较高,但对于有40或60年寿命核能源的经济效益影响较小,而燃料成本的降低是更重要的经济特性。在很多情况下,大型核电站是与燃烧电煤的火电厂相竞争,而中小型核能源可能以更高的效率直接节省价格更高的石油、天然气或电力,有较高竞争力。另外,中小规模核站及其能量转换系统的技术和设备相对简单容易,具有先行开发优势,因此更具现实性和经济性。

即使在大型电力系统中,不仅需要大型集中电源,也需要较小容量的分布式能源。分布式能源有其特有的优点和需求,它能以热电联供的高效方式提供能量,能提高电网可靠性和减少输电损失。因此,规则床模块堆在电力系统中不仅可以将几个模块堆组合为一个核电站作为中心电源,而且可以分散布置模块堆,成为一种经济上可行的分布式核能源。

4.6.2.船舶推进动力
 
      船舶推进动力是中小型核能可能应用的又一重要领域,这一领域的二氧化碳排放量约占世界总排放量的4~5%。如果核能能够为这一领域提供部分能源,具有重大意义。可是,过去几十年的研究和开发中,用于商船推进动力的堆型主要是压水堆,除破冰船外,世界上曾建造了3艘商船,但没有取得商用成功。货运船舶推进动力需要的热功率大约在20 MW至200 MW,远小于商用发电压水堆的经济规模,因此造价很高。另外,在船上安装压水堆,燃料更换极其困难,只好减少换料次数延长换料期,又导致燃料成本过高,这可能就是无法取得核动力船舶商业应用成功的主要原因。

规则堆积形成的类似结晶的堆芯结构,耐振动抗冲击,与随机堆积不同,振动不会改变堆积密度,不会改变冷却剂分配特性,具有适应船舶应用的稳定和抗震的特性。规则床堆芯和压力壳还可以水平放置,与船的形状相一致,对船的空间利用、减轻屏蔽重量以及增强船体稳定性是有利的。它特有的固有安全性,排除了发生严重事故的可能,简化了反应堆系统,便于安置在船上。模块化的功率规模,高温高效率,以及可直接与氦气轮机耦合的特性,都是先进船舶动力所需要的。特别是不同于压水堆,它的燃料操作相对简单,燃料可以更换,可能获得较低燃料成本。这些崭新特性展现出船舶应用以及直接替代燃油和减排温室气体做出贡献的可能性,这方面还有许多有待研究的问题。有关规则床模块堆船舶应用的研究,详见另外的论文[6,7]。

4.6.3.增强自身防护能力的地下核电站

核电发展面临的主要问题是:提高安全性、经济性、防扩散性和自身防护能力。前三个问题,正如前面的论述,规则床模块堆都有明显的改善。加强核电站整体设施的防护能力,一直是核电发展追求的目标。在不断发生恐怖事件的威胁下,已经开始研究各种核电站地下设置的设想。高温气冷堆具有高度安全性,当氦气冷却系统出现严重泄漏事故时,允许向外界排放,不要求设置压水堆那样的具有较大包容空间的承压安全壳。反应堆的燃料装卸,也不需要像压水堆燃料组件那样的水下运输和庞大的装卸料空间。规则床模块堆的压力容器和能量转换容器在水平布置时,便于放置地下或水平山洞内,可以建造成具有整体防护能力的新一代的地下核电站。核电站建造在地下还便于靠近城市和用户,选址条件更为宽容,特别是有一定危险性的用户,例如氢的生产厂,核站在地下靠近,有一定安全保障。

总之,反应堆新概念和新特性,带来许多研究开发战略定位的创新和思考。

5.规则床堆的不利因素和需要的研究开发工作

卵石床堆采用燃料球连续换料,可以减少过剩反应性。因此不必添加可燃毒物,有利于中子经济性。减少换料停堆时间,提高电站利用因子。规则床堆没有连续换料特性,当添加可燃毒物克服过剩反应堆时,它如同柱状燃料堆,需要提高燃料初始富集度大约几个百分点。当高温气冷堆引入增殖材料钍时,可以不添加可燃毒物,不仅反应性波动小,还能利用钍的增益延长运行时间。而规则床堆燃料的分区特性及燃料球的灵活性,有可能利用低富集度铀实现钍的利用,这是有待进一步研究的问题。即使如柱状燃料堆那样,添加可燃毒物,富集度的提高对总经济性的影响与其他因素相比也很小。至于,不停堆换料对负荷因子的作用,远远小于规则床堆提高单堆功率的影响。总之,规则床模块堆放弃连续换料,却换来了上述诸多优点,获得战略上的巨大进步。

规则床模块堆表现出多方面优越的设计性能,很多性能超越了现有球形燃料模块堆和柱状燃料模块堆。实现燃料球堆芯从“无序”到“有序”的转变,仅仅是球体排列方式的转变,是一种简单的物理规律,很容易由不含核燃料的球体在一般实验室的模拟装置中得到验证。一旦球形元件的装卸和规则排列在模拟实验中得到证实,反应堆的其他研究开发工作,都是成熟的,没有超出球形燃料堆和柱状燃料堆的设计研究范围。

最好的模拟实验是利用实际尺寸的石墨球在模拟堆芯上进行燃料装卸和堆积实验,它与高温气冷堆的实际情况十分接近。利用同一装置还可研制专用的装卸设备、工具和仪器,并且测量规则床性能和气体流动阻力等参数。另一项研究课题是有关燃料球屏蔽转运问题,它虽然比压水堆乏燃料组件的转运简单,但还需要研制出一套安全可靠的措施和设备,以满足燃料球循环利用的要求。在这些实验和模块式高温气冷堆设计技术的基础上,可以直接设计和建造规则床模块式高温气冷示范堆。完成具有战略意义的新一代核能应用开发的重要一步。

6.结论

球形燃料模块式高温气冷堆堆芯的规则床设计,对反应堆的性能和应用产生重大影响。对于以发电和制氢为主要目标的模块堆,能提高功率水平、气体出口温度和热能转换效率,从而在较大程度上改善经济性。

新奇的“结晶化”堆芯结构,球形元件特有的灵活性,大小堆燃料都能达到深燃耗,以及反应堆固有安全性等基本特性,使核能有可能扩展应用于发电以外的多种领域,特别是中小规模的应用领域,具有极其广阔的市场需求,对于全球替换化石燃料,减少污染排放和应对气候变化具有重要意义。

这种具有基础创新意义的研究和开发,其核心是对球形元件的堆积和装卸,以及转移和运输技术的研究,是容易实现的。这可能为高温气冷堆增添新的含意,可能突破原有压水堆核能应用的局限性,具有重要战略价值和应用前景。

参考文献

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