第四代核電 又近了一步

近日，我國核動力研究設(shè)計院副總工程師肖澤軍透露，我國超臨界水冷堆技術(shù)研發(fā)第一階段(基礎(chǔ)技術(shù)研究)研發(fā)目標(biāo)已完成，提出了超臨界水冷堆總體技術(shù)路線，完成了中國百萬千瓦超臨界水冷堆CSR1000總體設(shè)計方案和材料選型方案。同時還完成了關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研究，初步構(gòu)建了設(shè)計與實驗研究平臺體系。據(jù)悉，超臨界水堆是世界核電強國爭相研制的第四代核電技術(shù)之一，與我國此前向美國西屋公司引進的AP1000壓水堆相比領(lǐng)先一代。據(jù)悉，超臨界水堆核電技術(shù)的最大優(yōu)勢是造價低廉，同等功率的3座第三代反應(yīng)堆的價格相當(dāng)于4座超臨界水冷堆。同時超臨界水堆的安全性也比現(xiàn)有反應(yīng)堆有很大的提高，具備自循環(huán)能力，不會出現(xiàn)堆芯融化等惡性事故。超臨界堆與各種老式水冷反應(yīng)堆對比圖，其最主要優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單，大幅降低成本，同時提高安全性這一技術(shù)與我國目前正在努力推進的超臨界、超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)有一定繼承性。部分媒體解讀認(rèn)為此型反應(yīng)堆可用于未來航母動力。不過，據(jù)了解，這一技術(shù)將主要用于工業(yè)發(fā)電，在體積重量等方面并不能完全滿足軍艦使用的要求。據(jù)報道，今年5月20日，中國政府簽署了加入第四代核能系統(tǒng)國際論壇(GIF)超臨界水冷堆(SCWR)系統(tǒng)安排協(xié)議, 完成了加入GIF SCWR的全部法律程序，正式成為其成員，并隨之參與國際超臨界水冷堆技術(shù)研發(fā)。信息顯示，加入GIF SCWR標(biāo)志著由核動力院牽頭、協(xié)調(diào)組織國內(nèi)相關(guān)單位代表中國參加第四代核能系統(tǒng)國際論壇超臨界水冷堆系統(tǒng)獲得了實質(zhì)性進展。我國今后將不再以觀察員的身份參加該系統(tǒng)的相關(guān)活動，而是參加GIF框架下的相關(guān)超臨界水冷堆研發(fā)活動。除已收獲成果的第一階段研發(fā)工作，超臨界水冷堆技術(shù)路線圖中還有四個階段的發(fā)展，且一直持續(xù)到2025年。四個階段包括2014年-2017年實施技術(shù)研發(fā)第二階段，2017年-2021年進行工程技術(shù)研發(fā)，2019年-2023年進行工程實驗堆設(shè)計建造，2022年-2025年進行百萬千瓦級超臨界水冷堆標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究。“基于熱工水力及材料初步實驗結(jié)果、設(shè)計分析及初步可行性研究，提出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中國超臨界水冷堆CSR1000總體設(shè)計方案，確定了總體技術(shù)參數(shù)，獲得了初步可行性的堆結(jié)構(gòu)、堆芯和燃料組件設(shè)計。”肖澤軍介紹了目前研發(fā)進展中的第二個標(biāo)志性成果。就下一步的研發(fā)計劃，肖澤軍透露，在技術(shù)研發(fā)的第二階段(關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段)，將全面掌握超臨界水冷堆設(shè)計技術(shù)和設(shè)計方法，完成CSR1000的工程實驗堆的設(shè)計研究;完成堆外實驗、材料優(yōu)化及工程應(yīng)用堆外性能、燃料元件輻照考驗裝置設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān);完成包殼和堆內(nèi)構(gòu)件材料入隊輻照考驗。記者了解到，超臨界水冷堆是一種高溫高壓水冷反應(yīng)堆，其本質(zhì)是運行在臨界點(22.1兆帕，374攝氏度)之上的輕水堆。與常規(guī)水冷堆相比，具有熱效率高、系統(tǒng)配置簡單、功率規(guī)模大、主設(shè)備和反應(yīng)堆廠房尺寸小、技術(shù)基礎(chǔ)好等優(yōu)點，受到國際上的關(guān)注和重視。美國、日本、加拿大、德國、法國、俄羅斯、韓國等從本世紀(jì)初開始就相繼開展了該技術(shù)的研究開發(fā)。據(jù)肖澤軍介紹，核動力院2003年便開始超臨界水冷堆技術(shù)跟蹤研究。2006年全面啟動研究工作，成立了項目管理辦公室和專家組并組建了研究團隊。2009年11月，國防科工局正式批準(zhǔn)了其申報的“超臨界水冷堆技術(shù)研發(fā)(第一階段)”項目立項。2010年，核動力院聯(lián)合國內(nèi)多家高校和科研機構(gòu)，廣泛開展超臨界水冷堆技術(shù)協(xié)作。其中參與單位包括了西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、南華大學(xué)、武漢大學(xué)、西南交通大學(xué)、西南電力設(shè)計院及東方汽輪機廠等。2013年12月12日，超臨界水冷堆技術(shù)研發(fā)(第一階段)通過了國防科工局組織的驗收。驗收結(jié)論稱，該項目按照批復(fù)全面完成了研究內(nèi)容，達到了技術(shù)指標(biāo)獲得了創(chuàng)新性的研究成果，實現(xiàn)了研究目標(biāo)。而在國際合作方面，我國已與俄羅斯、加拿大、日本簽署了超臨界水冷反應(yīng)堆雙邊合作計劃。“目前受IAEA邀請，正在申請加入IAEA新開的SCWR-CRP(超臨界水堆聯(lián)合研究計劃)項目。”肖澤軍稱。據(jù)中國核能行業(yè)協(xié)會信息顯示，超臨界水冷堆研究也是科技部“973計劃”的重要重要內(nèi)容。包括核動力院、復(fù)旦大學(xué)等在內(nèi)的國內(nèi)多家高等院校和科研單位先后聯(lián)合承擔(dān)了“973計劃”中的《超臨界水冷堆關(guān)鍵科學(xué)問題基礎(chǔ)研究》《中歐超臨界水冷堆燃料驗證項目》和《超臨界水冷堆技術(shù)研發(fā)》等項目，開展了《超臨界水冷堆核能系統(tǒng)設(shè)計及相關(guān)技術(shù)研究》《超臨界水冷堆試驗與試驗相關(guān)技術(shù)研究》和《超臨界水冷堆材料研究》等，一批重要研究成果為我國超臨界水堆的后續(xù)研發(fā)工作奠定了基礎(chǔ)。擴展閱讀：超臨界水堆的優(yōu)缺點2001年1月美國能源部倡議成立了第四代核能國際論壇(GIF)，共同研究、開發(fā)第四代核能技術(shù)。目前共有10個國家包括美國、法國、日本、英國、加拿大、阿根廷、南非、巴西、韓國、瑞士，以及歐洲原子能共同體加入了該論壇。GIF經(jīng)過多次討論，明確第四代反應(yīng)堆應(yīng)在確保安全可靠的基礎(chǔ)上，力爭提高其經(jīng)濟性和核燃料的增值和節(jié)約，并在2002年5月的巴黎會上選定了6種堆型作為未來第四代反應(yīng)堆的發(fā)展方向。這6種堆型為：氣冷快堆(GFR);鉛冷快堆(LFR);熔鹽反應(yīng)堆(MSR);鈉冷快堆(SFR);超臨界水堆(SCWR);超高溫氣冷堆(VHTR)。超臨界水堆(SCWR)有以下優(yōu)點：1.在上述6種堆型中只有超臨界水堆采用水作為慢化劑和冷卻劑，水是便于取得和便宜的物質(zhì)，且其化學(xué)、物理性質(zhì)清楚。我國的核電站絕大多數(shù)采用壓水堆，其用水的經(jīng)驗均可借鑒。2.由于超臨界水堆在250大氣壓下工作，其出口溫度可達500℃以上，故可將目前壓水堆核電廠的凈熱效率從～33%提高到～44%以上。3.由于熱效率提高～11%，可節(jié)省核燃料～25%，亦即3個百萬級壓水堆的核裝料可裝4個百萬級超臨界水堆。4.將超臨界水堆SCWR的堆芯緊湊化布置，即可轉(zhuǎn)化為快中子堆，具有靈活性。5.具有固有安全性，無論發(fā)生什么故障都可以得到安全控制。6.一回路系統(tǒng)最為簡化，取消了壓水堆中的主蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、主循環(huán)泵，由超臨界水經(jīng)過減壓后向主汽輪機直接供氣。7.堆芯設(shè)計將采用我國具有專利權(quán)的《套管燃料組件的超臨界水反應(yīng)堆》，以簡化堆芯設(shè)計工作，并節(jié)省堆結(jié)構(gòu)材料。8.超臨界水推的幾個輔助安全系統(tǒng)完全可以利用我國國核技已引進的AP-1000核電廠的非能動技術(shù)。9.可以充分利用我國超臨界火電廠的技術(shù)，簡單說，將反應(yīng)堆替代超臨界鍋爐即為超臨界核電廠。自1980年以來，我國已引進和國產(chǎn)化建成超臨界和超超臨界火電機組共38臺，單機容量分別為30萬Kw、50萬 Kw、80萬Kw、90萬Kw、100萬Kw等共8種型號。這說明我國的超臨界技術(shù)已相當(dāng)成熟。10.具有強勁的經(jīng)濟競爭性：據(jù)GIF估計，百萬千瓦級超臨界水堆核電站的造價(當(dāng)時價)約為900$/kW;毆共體估計為1000毆元/千瓦;我國2×90萬千瓦超臨界火電廠的比投資(建成價)為5900元/千瓦(含脫S、NOx)。由于一臺反應(yīng)堆的造價要比一臺鍋爐的造價貴，故2臺百萬千瓦級的超臨界核電站的比投資～9000元/千瓦。目前我國正在建設(shè)中的核電廠的比投資為：高溫氣冷堆為16000元/千瓦;方家山改進型壓水堆2×100萬千瓦為13000元/千瓦w。由此可見，超臨界水核電廠比上述核電廠分別便宜～70%、～44%。3臺百萬千瓦級的造價可建造4臺百萬千瓦級的超臨界水核電廠。綜上所述，可見SCWR具有經(jīng)濟性、安全可靠性、節(jié)省鈾資源，有利于可持續(xù)發(fā)展。目前超臨界堆的主要難點在于：1、反應(yīng)堆壓力容器制造。以百萬kW級的反應(yīng)堆為例，在250大氣壓下工作，其壓力容器的高度～13m，筒體段外徑4m，壁厚～35cm，目前只有俄羅斯、韓國、日本能制造，需考慮合作生產(chǎn)或外購。2、需研制堆內(nèi)構(gòu)件熱絕緣材料。3、需研制設(shè)備密封材料，解決三漏(水、汽、油)問題。4、需進行包覆顆粒燃料的制備試驗、耐腐蝕試驗、水力試驗、堆內(nèi)考驗、零功率試驗等。5、需開展安全性分析、穩(wěn)定性分析和控制等。中國超超臨界火電技術(shù)發(fā)展火電廠超超臨界機組和超臨界機組指的是鍋爐內(nèi)工質(zhì)的壓力。鍋爐內(nèi)的工質(zhì)都是水，水的臨界參數(shù)是:22.064MPa、373.99℃[2] ;在這個壓力和溫度時，水和蒸汽的密度是相同的，就叫水的臨界點，爐內(nèi)工質(zhì)壓力低于這個壓力就叫亞臨界鍋爐，大于這個壓力就是超臨界鍋爐，爐內(nèi)蒸汽溫度不低于593℃或蒸汽壓力不低于31 MPa被稱為超超臨界。從國際及國內(nèi)已建成及在建的超臨界或超超臨界機組的參數(shù)選擇情況來說，只要鍋爐參數(shù)在臨界點以上，都是超臨界機組。但對超臨界和超超臨界機組并無嚴(yán)格的界限，只是參數(shù)高了多少的一個問題，目前國內(nèi)及國際上一般認(rèn)為只要主蒸汽溫度達到或超過600℃，就認(rèn)為是超超臨界機組。超臨界、超超臨界火電機組具有顯著的節(jié)能和改善環(huán)境的效果，超超臨界機組與超臨界機組相比，熱效率要提高1.2%，一年就可節(jié)約6000噸優(yōu)質(zhì)煤。未來火電建設(shè)將主要是發(fā)展高效率高參數(shù)的超臨界(SC)和超超臨界(USC)火電機組，它們在發(fā)達國家已得到廣泛的研究和應(yīng)用。中國華能集團公司、中國電力投資集團公司、哈爾濱鍋爐廠、東方汽輪機有限公司、國家電站燃燒工程技術(shù)研究中心……23家單位的100多名研究人員通力合作，首次提出了我國發(fā)展超超臨界火電機組的技術(shù)選型方案，完成了3種不同型式100萬千瓦超超臨界鍋爐、汽輪機的設(shè)計開發(fā)、制造軟件包研制和材料加工性能研究，自主設(shè)計了超超臨界電站，自主調(diào)試成功了100萬千瓦和60萬千瓦機組，申請了17項國家技術(shù)專利，形成了我國完整的超超臨界電站開發(fā)基礎(chǔ)。2008年1月8日，中共中央、國務(wù)院隆重舉行國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會，由中國華能集團公司承接，聯(lián)合有關(guān)設(shè)計、制造、應(yīng)用單位共同研發(fā)和應(yīng)用的超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)獲得2007年度國家科學(xué)技術(shù)進步一等獎。該技術(shù)的節(jié)能環(huán)保示范作用十分顯著，作為示范工程的華能玉環(huán)電廠項目，于2007年11月全部建成投產(chǎn)，成為世界上超超臨界百萬千瓦級容量最大的火電廠。工程應(yīng)用了大量該課題的研究成果，2臺100萬千瓦超超臨界發(fā)電機組(參數(shù)26.25MPa、600℃/600℃)是當(dāng)今國際上參數(shù)最高、容量最大、同比效率最高的超超臨界機組，經(jīng)實際運行，效率高達45.4%,供電煤耗283.2克/千瓦時，比2006年全國平均供電煤耗366克/千瓦時低82.8克/千瓦時，大幅節(jié)約了煤炭資源,每年可少排放二氧化碳50多萬噸、二氧化硫2800多噸、氮氧化物約2000噸，具有國際先進的能耗和環(huán)保水平，企業(yè)經(jīng)濟效益和社會環(huán)境效益前景巨大?，F(xiàn)在發(fā)電供熱用煤占全國煤炭生產(chǎn)總量的50%左右，而且污染物排放量也很大。據(jù)統(tǒng)計，全國二氧化硫的排放量中，90%是由煤電產(chǎn)生的。百萬千瓦超超臨界機組的研發(fā)和應(yīng)用對實現(xiàn)我國火電結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)能降耗，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。