核電小型堆技術(shù)特征及廠址適應(yīng)性分析

鄭勇

摘 要：近年來，核電小型反應(yīng)堆憑借固有安全性高、建造周期短、布置靈活等優(yōu)勢得到了世界各國的重視，美國、日本、俄羅斯等都相繼研發(fā)出了不同類型的模塊式小型堆，中國也正在山東某地建設(shè)2臺10萬千瓦的高溫氣冷堆師范工程。本文重點介紹了目前國內(nèi)外幾種典型的小堆技術(shù)，并從核電小型堆的技術(shù)特征出發(fā)，對核電小型堆廠址的適應(yīng)性做了簡要的分析，對核電小型堆的選址工作有具一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：核電工程；小型堆技術(shù)；廠址適應(yīng)性

中圖分類號：TM623.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）20-0137-02

1 核電小型堆概述

國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）將電功率在300MW以下的反應(yīng)堆定義為小型堆，核電小型堆一般采用模塊式的設(shè)計和建造理念及非能動的安全技術(shù)，通過模塊式組合實現(xiàn)較大的規(guī)模容量。它可實現(xiàn)比三代壓水堆更高的安全性、更短的建造周期和應(yīng)用的靈活性，是一種可應(yīng)用于不同需求和條件的新型核能系統(tǒng)。

小型反應(yīng)堆單堆熱功率小，正常運行熱儲能小，停堆后的衰變熱少，最有利于提高反應(yīng)堆的固有安全和通過非能動安全設(shè)施的應(yīng)用實現(xiàn)高度的安全性，能很好地滿足中小型電網(wǎng)、分布式電網(wǎng)、電網(wǎng)末端或邊遠(yuǎn)地區(qū)供電、城市或工業(yè)供熱及海水淡化、混合能源等特殊領(lǐng)域應(yīng)用的需求。

2 核電小型堆現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

美國、俄羅斯、法國、日本、韓國、印度、阿根廷等國都在積極開展先進(jìn)小型堆的研發(fā)和商業(yè)化努力。美國從事小型壓水堆技術(shù)開發(fā)主要有4家機(jī)構(gòu)：GenerationmPower公司、西屋公司、NuScalePower公司和Holtec公司，分別提出了不同的模塊式小型堆設(shè)計，并開始實施研發(fā)計劃，如：GMP公司設(shè)計的是單模塊電功率180MWe的mPower；Nuscale公司設(shè)計的是單模塊電功率45MWe的Nuscale；西屋電氣公司設(shè)計的是單模塊電功率225MWe的SMR；通用電器/日立公司設(shè)計的是單模塊電功率311MWe的PRISM。這幾種設(shè)計都采用一體化反應(yīng)堆，充分利用成熟的核電技術(shù)和軍用核動力技術(shù)，具有更高的安全性。

在國內(nèi)，中核集團(tuán)、國核技、中廣核集團(tuán)以及清華大學(xué)都在研發(fā)小型堆技術(shù)。我國高溫氣冷堆核電站示范工程由中國華能牽頭組織實施，項目以我國已建成投運的清華大學(xué)10兆瓦高溫氣冷實驗堆為基礎(chǔ)，是我國核電領(lǐng)域的一項標(biāo)志性示范工程。

3 核電小型堆應(yīng)用領(lǐng)域

美國發(fā)展小型堆主要用于取代逐漸退役的化石燃料電廠，應(yīng)用于美國局部地區(qū)、特殊領(lǐng)域和分布式電網(wǎng)等方面，也可向發(fā)展中國家出口。美國只有1/4的電力公司具有投資建造1000MWe電站的能力，或者一次性投資80-100億美元的能力，大多數(shù)美國電力公司的投資能力為10-20億美元。因此，發(fā)展小型堆成為美國下一步核能發(fā)展和應(yīng)用的重要選擇。近年來我國能源局在規(guī)劃開展分布式電網(wǎng)的研究，小型堆將是我國內(nèi)陸廣大地區(qū)、電網(wǎng)邊遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用的最佳選擇。

（1）在城市采暖供熱領(lǐng)域：我國城市供熱對能源的需求量在世界的前列，年耗煤數(shù)億噸，占總能源消耗10%以上，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快和深化，采暖熱負(fù)荷呈現(xiàn)迅猛增長態(tài)勢。

（2）在工業(yè)供熱領(lǐng)域：電力、建材、冶金、化工等能源消費密集的行業(yè)是我國支柱產(chǎn)業(yè)，這些行業(yè)的企業(yè)都建有不同規(guī)模的自備熱電廠，使用的全部是化石能源，它們占大氣污染的70%以上。

（3）在海水淡化領(lǐng)域：我國大部分工業(yè)集中于近、沿海地區(qū)，淡水資源匱乏。我國海洋國土面積接近300萬平方公里，海岸線長達(dá)1.8萬公里，海上鉆井平臺和遠(yuǎn)離大陸的海島和軍事基地都存在供電、供熱及供氣需求。

4 典型小堆設(shè)計介紹

mPower小型模塊化反應(yīng)堆是簡化的、非能動、模塊化壓水堆，采用一體化布置。反應(yīng)堆堆芯、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器組合布置在一個普通壓力容器中，熱功率為530MWt，發(fā)電功率為180MWe。mPower采用核島廠房地下布置的方式，將安全殼、乏燃料水池和最終熱阱都布置在地下，大大加強了核電廠安全性。

Nuscale是一個小型的輕水冷卻型壓水堆，它將提供給業(yè)主可擴(kuò)容的解決方案，即單個核電設(shè)施可以允許最多設(shè)12個NSSS模塊。一體化的壓水型NSSS將反應(yīng)堆芯、蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器集成在壓力容器內(nèi)，它的主冷卻劑在浮力驅(qū)動下進(jìn)行自然循環(huán)，而不需要反應(yīng)堆冷卻劑泵。每臺機(jī)組輸出功率為45MWe。

我國目前正在組織建設(shè)兩臺10萬千瓦高溫氣冷堆核電站示范工程，它采用包覆顆粒燃料（TRISO）構(gòu)成的“全陶瓷型”球形燃料元件作為核燃料，兩套核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)帶一臺超高壓汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。反應(yīng)堆堆芯和蒸汽發(fā)生器分別設(shè)置在兩個殼體內(nèi)，并由熱氣導(dǎo)管殼體相連接，構(gòu)成一回路壓力邊界，它的系統(tǒng)簡單，電站發(fā)電效率可以達(dá)到40%以上。

5 小型堆的技術(shù)優(yōu)勢

5.1 模塊化壓水堆的技術(shù)優(yōu)勢

Nuscale反應(yīng)堆的容積功率比比大型電站壓水堆大4倍。西屋公司的W-SMR穩(wěn)壓器容積功率比大約是大型壓水堆的5倍；SMR的放射性總量大約是大型壓水堆的十分之一，還附加了多層屏障，使事故源項保持在非常低的水平；容器和設(shè)備的布置有利于自然循環(huán)。SMR的反應(yīng)堆設(shè)計成細(xì)而高，其高徑比達(dá)到6（PWR為2.5，BWR為2.0）；SMR反應(yīng)堆的直徑只有2.5-3.5m（PWR為4-5m，BWR為6-7m），SMR從容器外表面移出熱量的效率是大型壓水堆的2-4倍；SMR反應(yīng)堆的停堆后的衰變熱功率僅為大型壓水堆的1/5-1/10，更便于采用非能動的方式導(dǎo)出；反應(yīng)堆和乏燃料池布置在地面標(biāo)高以下，使得SMR更能經(jīng)受住外部自然災(zāi)害和認(rèn)為事件的影響，并有利于減少事故后放射性物質(zhì)釋放的途徑，具有更強的抗地震能力。

5.2 高溫氣冷堆技術(shù)優(yōu)勢

（1）核電站選址靈活：由于氦氣輪機(jī)直接循環(huán)時可采用空氣冷卻塔散失余熱，因此可建在冷卻水源不足的地方。

（2）反應(yīng)堆熱效率高：由于采用耐高溫的包敷顆粒核燃料，并用高溫石墨作堆芯結(jié)構(gòu)材料，堆芯出口氦氣溫度可達(dá)700～950攝氏度，加之氦氣的熱導(dǎo)率高，因此其熱效率高，整個電站發(fā)電效率可以達(dá)到40%以上。

（3）固有安全性高：高溫氣冷堆的負(fù)溫度系數(shù)大，堆型的熱容量也大，因此在事故情況下，溫度上升緩慢，即使在失氦情況下，堆型結(jié)構(gòu)也不至于熔化，這就使得采取相應(yīng)安全措施的余度增大。

（4）對環(huán)境污染?。河捎诓捎眯阅芊€(wěn)定的氦氣作冷卻劑，氦氣的中子吸收截面極小，反應(yīng)堆一回路放射性劑量較低，而且由于熱效率高，其排出的廢熱也比輕水堆少35%-40%，由于熱污染少，因此可建在人口較密的城鎮(zhèn)附近。

（5）有綜合利用的前景：由于堆芯出口氦氣溫度可達(dá)700～950攝氏度，除發(fā)電外，還可將反應(yīng)堆的高溫工藝供熱直接應(yīng)用于煉鋼，制氫，煤的氣化、液化等方面，達(dá)到綜合利用的目的。

6 核電小型堆廠址適應(yīng)性要求

小型反應(yīng)堆廠址選擇相比較大型堆有更大靈活性，在冷卻水源、地震地質(zhì)、交通運輸、環(huán)保、人口、應(yīng)急計劃區(qū)等方面，都可望與現(xiàn)行廠址選擇標(biāo)準(zhǔn)有所不同。具體如下：小型堆因其反應(yīng)堆為模塊化整體結(jié)構(gòu)，且大都深埋地下，因此其抗震能力明顯高于大堆，即對地震發(fā)生的適應(yīng)性要強于大型核反應(yīng)堆；小型反應(yīng)堆由于其單堆功率小，單個廠址相對大堆來講，所需冷卻水量較小，在內(nèi)陸可選在水流量較小的河流或水庫附近區(qū)域；小型堆設(shè)備和模塊重量大大減小，對于大件運輸?shù)囊蟠蟠蠼档??？蛇x擇公路，鐵路，海運，河運等多種方式進(jìn)行設(shè)備運輸；小型反應(yīng)堆對于環(huán)境輻射劑量遠(yuǎn)小于大型核電站，無廢液排放到廠外，可取消廠外應(yīng)急，因此其限制發(fā)展區(qū)半徑有望隨之減?。恍⌒头磻?yīng)堆對環(huán)境輻射劑量遠(yuǎn)小于大型反應(yīng)堆，因此周圍公眾的個人有效劑量較小，因而對周圍人口密度要求可以放寬。

參考文獻(xiàn)

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