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我國(guó)高溫氣冷堆的發(fā)展
作者:吳宗鑫(清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院)【摘要】：模塊化高溫氣冷堆具有的固有安全特性、建造周期短和機(jī)組容量小等優(yōu)勢(shì)正好符合電力系統(tǒng)非管制化(Deregulation)發(fā)展趨勢(shì)對(duì)于發(fā)電廠(chǎng)的要求，清華大學(xué)核能設(shè)計(jì)研究院正在建造一座10MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆。本文著重分析了高溫氣冷堆的安全特性和提高發(fā)電效率的氦循環(huán)方式
我國(guó)高溫氣冷堆的發(fā)展
吳宗鑫
1引言
高溫氣冷堆新近的發(fā)展已引起廣泛的關(guān)注。除了中國(guó)和日本正在建造高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆之外，南非、美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)等國(guó)都在積極開(kāi)展高溫氣冷堆的發(fā)展工作，一些發(fā)展中國(guó)家對(duì)高溫氣冷堆表示了極大的興趣。
高溫氣冷堆具有安全性好、發(fā)電效率高、小容量模塊化建造等特點(diǎn)，正好適應(yīng)了全球正在興起的電力系統(tǒng)非管制化發(fā)展趨勢(shì)對(duì)發(fā)電廠(chǎng)的要求。
高溫氣冷堆用氦氣作冷卻劑，石墨作慢化材料，采用包覆顆粒燃料和全陶瓷的堆芯結(jié)構(gòu)材料。圖1表示了清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院正在建造的10MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆的總體結(jié)構(gòu)。
圖110MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆的總體結(jié)構(gòu)
2高溫氣冷堆特點(diǎn)
2.1安全性好
高溫氣冷堆是國(guó)際核能界公認(rèn)的一種具有良好安全特性的堆型。圖2表示了三里島核事故后世界核反應(yīng)堆安全性改進(jìn)的趨勢(shì)，其堆芯融化概率有了顯著的改進(jìn)。目前世界上的核電廠(chǎng)堆芯融化概率均能達(dá)到圖2中實(shí)線(xiàn)所表示“滿(mǎn)足要求的電廠(chǎng)”的水平，而且一些核電廠(chǎng)達(dá)到了“優(yōu)異安全性電廠(chǎng)”的水平。美國(guó)電力研究所(EPRI)制定的《電力公司用戶(hù)要求》文件提出的先進(jìn)輕水堆的堆芯融化概率設(shè)計(jì)要求為10－5/堆.年。模塊式高溫氣冷堆(MHTR)為革新型的堆型，其估計(jì)的堆芯熔化概率低于10－7/堆.年，遠(yuǎn)小于先進(jìn)輕水堆堆芯熔化概率的要求。
圖2世界核電廠(chǎng)安全性改進(jìn)的發(fā)展趨勢(shì)
高溫氣冷堆采用優(yōu)異的包覆顆粒燃料是獲得其良好安全性的基礎(chǔ)。鈾燃料被分成為許多小的燃料顆粒，每個(gè)顆粒外包覆了一層低密度熱介碳，兩層高密度熱介碳和一層碳化硅。包覆顆粒直徑小于1mm，包覆顆粒燃料均勻彌散在石墨慢化材料的基體中，制造成直徑為6cm的球形燃料元件(見(jiàn)圖3)。包覆層將包覆顆粒中產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物充分地阻留在包覆顆粒內(nèi)，實(shí)驗(yàn)表明，在1600℃的高溫下加熱幾百小時(shí)，包覆顆粒燃料仍保持其完整性，裂變氣體的釋放率仍低于10－4。高溫氣冷堆具有如下的基本安全特性：
圖3高溫氣冷堆球形燃料元件
2.1.1反應(yīng)性瞬變的固有安全特性在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，高溫氣冷堆堆芯反應(yīng)性溫度系數(shù)(燃料和慢化劑溫度系數(shù)之和)均為負(fù)，具有瞬發(fā)效應(yīng)的燃料溫度系數(shù)也為負(fù)。因此，在任何正反應(yīng)性引入事故情況下，堆芯均能依靠其固有反應(yīng)性反饋補(bǔ)償能力，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停堆。高溫氣冷堆正反應(yīng)性引入事故主要有：
�、倏刂瓢粽`抽出；②蒸汽發(fā)生器發(fā)生破管，水進(jìn)入堆芯造成慢化能力增強(qiáng)引入正反應(yīng)性事故；③一回路風(fēng)機(jī)超速轉(zhuǎn)動(dòng)，冷卻劑熱端平均溫度下降引入的正反應(yīng)事故等。
事故分析的結(jié)果表明，在發(fā)生上述正反應(yīng)性引入事故條件下，堆功率上升導(dǎo)致燃料元件的溫度升高，但負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)能迅速抑制其功率的上升，燃料最高溫度遠(yuǎn)低于燃料元件最高溫度限值。
2.1.2余熱載出非能動(dòng)安全特性模塊式高溫氣冷堆堆芯的熱工設(shè)計(jì)時(shí)考慮了在事故工況下堆芯的冷卻不需要專(zhuān)設(shè)的余熱冷卻系統(tǒng)，堆芯的衰變熱可籍助于導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射等非能動(dòng)機(jī)制傳到反應(yīng)堆壓力容器外的堆腔表面冷卻器，再通過(guò)自然循環(huán)，由空氣冷卻器將堆芯余熱散發(fā)到大氣(最終熱阱)中(見(jiàn)圖4)。
圖4非能動(dòng)堆芯余熱排出系統(tǒng)
當(dāng)發(fā)生一回路冷卻劑流失的失壓事故時(shí)，堆芯的余熱已不可能由主傳熱系統(tǒng)排出，只能依靠上述的非能動(dòng)余熱載出系統(tǒng)將堆芯衰變熱載出，這樣必然使堆芯中心區(qū)域的燃料元件溫度升高。為了使堆芯燃料元件的最高溫度限制在1600℃的溫度限值內(nèi)，模塊式高溫氣冷堆堆芯功率密度和堆芯的直徑將受到限制。
模塊式高溫氣冷堆余熱非能動(dòng)載出功能的實(shí)現(xiàn)基本上排除了發(fā)生堆芯熔化事故的可能性，具有非能動(dòng)的安全特性。
2.1.3阻止放射性釋放的多重屏障縱深防御和多重屏障是所有核電廠(chǎng)的基本安全原則。作為模塊式高溫氣冷堆第一道屏障的燃料元件，在所有運(yùn)行和事故工況下，堆芯燃料元件的最高溫度限制在1600℃內(nèi)。在此溫度以下，熱解碳層和致密的碳化硅包覆仍保持完整性，能使氣態(tài)和金屬裂變產(chǎn)物幾乎完全被阻留在包覆燃料顆粒內(nèi)。而且裂變材料被大量分散到許多小的燃料顆粒內(nèi)，獨(dú)立形成屏障，具有很高的可靠性。
一回路的壓力邊界是防止放射性物質(zhì)釋放的第二道屏障。一回路的壓力邊界由以下幾個(gè)壓力容器所組成：反應(yīng)堆壓力容器，蒸汽發(fā)生器壓力容器，以及連接這兩個(gè)壓力容器的熱氣導(dǎo)管壓力容器。這些壓力容器發(fā)生貫穿破裂的可能性可以排除。
由于在任何工況下不會(huì)發(fā)生燃料元件溫度超過(guò)1600℃而使裂變產(chǎn)物大量釋放的事故，而且在正常運(yùn)行工況下一回路冷卻劑的放射性水平很低，故在發(fā)生失壓事故時(shí)，即使一回路冷卻劑全部釋放到周?chē)h(huán)境中，對(duì)周?chē)h(huán)境造成的影響也是很小的。因此，在模塊式高溫氣冷堆的設(shè)計(jì)中不設(shè)置安全殼，而采用“包容體”的設(shè)計(jì)概念�！鞍蒹w”不同于安全殼，無(wú)氣密性和承全壓的要求，無(wú)需噴淋降壓和可燃?xì)怏w控制等功能，系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化。
高溫氣冷堆的“包容體”功能是由具有一定密封性能的一回路艙室來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在10kPa壓差下的泄漏率小于10－2/天。在正常運(yùn)行工況下，由排風(fēng)系統(tǒng)保持一回路艙室的負(fù)壓，防止一回路艙室內(nèi)放射性物質(zhì)向反應(yīng)堆建筑內(nèi)擴(kuò)散，排風(fēng)經(jīng)過(guò)濾后由煙囪排出；當(dāng)發(fā)生一回路冷卻劑失壓嚴(yán)重事故，一回路艙室中的壓力超過(guò)10kPa時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)事故排風(fēng)管道的爆破膜，放射性物質(zhì)不經(jīng)過(guò)濾直接由煙囪排向大氣。由于直接釋放放射性的后果并不嚴(yán)重，加之一回路艙室內(nèi)壓力經(jīng)短時(shí)間后立即下降到正常壓力，系統(tǒng)又恢復(fù)經(jīng)過(guò)濾排出，這樣可以防止事故過(guò)程中大量放射性裂變物質(zhì)直接向環(huán)境的釋放，避免了大量放射性釋放的風(fēng)險(xiǎn)性。
圖5氦氣透平直接循環(huán)流程圖
圖6直接聯(lián)合循環(huán)發(fā)電流程圖
2.2發(fā)電效率可提高
模塊式球床型高溫氣冷堆采用了余熱非能動(dòng)載出的特性，雖大大地增強(qiáng)了安全性，但是其單堆的功率受到了很大的限制。由于球床型高溫氣冷堆可以提供950℃的高溫氦氣，充分利用其高溫氦氣的潛力獲得更高的發(fā)電功率是提高其經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的主要發(fā)展方向。氦氣透平直接循環(huán)方式是高溫氣冷堆高效發(fā)電的主要發(fā)展方向。
南非ESKOM公司設(shè)計(jì)的高溫氣冷堆核電廠(chǎng)即采用了氦氣透平直接循環(huán)方式[1，2]，由一回路出口的高溫氦氣冷卻劑直接驅(qū)動(dòng)氦氣透平發(fā)電，反應(yīng)堆壓力為7MPa，氦氣出口溫度為900℃，高溫氦氣首先驅(qū)動(dòng)高壓氦氣透平，帶動(dòng)同軸的壓縮機(jī)，再驅(qū)動(dòng)低壓氦氣透平，帶動(dòng)另一臺(tái)同軸的壓縮機(jī)，最后驅(qū)動(dòng)主氦氣透平，輸出電力。經(jīng)過(guò)整個(gè)循環(huán)，氦氣的壓力將降到2.9MPa，溫度降為571℃。為了將氦氣加壓到反應(yīng)堆一回路的入口壓力，需先經(jīng)過(guò)回?zé)崞骱皖A(yù)熱器冷卻到27℃后，再經(jīng)兩級(jí)壓縮機(jī)后升壓到7MPa，而后回到加熱器的另一側(cè)加熱到558℃，回到堆芯的入口，其流程見(jiàn)圖5所示。該循環(huán)方式發(fā)電效率可達(dá)到47％。
該循環(huán)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)為：系統(tǒng)簡(jiǎn)單，全部電力系統(tǒng)都集成在同軸相連的三個(gè)壓力容器內(nèi)，造價(jià)低；避免了堆芯進(jìn)水事故的可能性；熱力循環(huán)效率高。
3熱循環(huán)方式
氦氣透平直接循環(huán)方式是高溫氣冷堆高效發(fā)電的發(fā)展方向。但是，目前這項(xiàng)技術(shù)需要研究開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目較多，主要有：
①研制高質(zhì)量、低釋放率的燃料元件(以保證進(jìn)入透平發(fā)電系統(tǒng)的放射性水平很低)；
�、谘兄屏⑹胶馔钙郊夹g(shù)，包括：磁力懸浮軸承、停機(jī)擎動(dòng)軸承以及在高溫氦氣氛下相接觸金屬表面的處理等相關(guān)技術(shù)；
③研制高效(98％)的板翅式回?zé)崞骷夹g(shù)等。
從技術(shù)可行性角度，目前考慮的替代氦氣熱力循環(huán)方式還有以下兩種方式：
3.1直接聯(lián)合循環(huán)方式
循環(huán)流程如圖6所示，6.9MPa的900℃高溫氦氣先驅(qū)動(dòng)一個(gè)氦氣壓縮機(jī)透平，帶動(dòng)同軸的壓縮機(jī)，再驅(qū)動(dòng)主發(fā)電氦氣透平，向外輸出電力。出口的氦氣再通過(guò)一直流蒸氣發(fā)生器，加熱另一側(cè)的水，使之產(chǎn)生蒸汽。產(chǎn)生的蒸汽推動(dòng)蒸汽透平發(fā)電機(jī)，向外輸出功率。氦氣經(jīng)直流蒸氣發(fā)生器后由壓縮機(jī)加壓到7.0MPa，183℃，回到堆芯入口。該系統(tǒng)的氦氣透平和蒸汽透平聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率可達(dá)48％。
這個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)：不需要采用高效回?zé)崞�，避開(kāi)了一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。但是，由于采用氦氣?蒸汽聯(lián)合循環(huán)，增加了系統(tǒng)的投資成本，故不能排除堆芯進(jìn)水事故的可能性。
圖7間接聯(lián)合循環(huán)流程
3.2間接聯(lián)合循環(huán)
圖7給出的間接聯(lián)合循環(huán)流程為：反應(yīng)堆出口的900℃高溫氦氣經(jīng)過(guò)中間熱交換器(加熱二次側(cè)的氮?dú)?，冷卻到300℃，再經(jīng)過(guò)氦風(fēng)機(jī)回送到堆芯的入口。二次側(cè)的氮?dú)饨?jīng)中間熱交換器加熱到850℃，實(shí)現(xiàn)氣體透平和蒸汽透平的聯(lián)合循環(huán)。該循環(huán)的發(fā)電效率為43.7％。
由于采用氮?dú)庾鞴べ|(zhì)，可以采用成熟的氣體透平技術(shù)，在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)條件下具有更好的可行性。但是投資成本增加，也不能排除堆芯進(jìn)水事故的可能性。
從上述循環(huán)流程的比較可以看出，氦氣熱力循環(huán)方式都可以得到很高的發(fā)電效率，根據(jù)技術(shù)的發(fā)展水平，可以選擇合適的循環(huán)流程。
模塊式高溫氣冷堆由于采用非能動(dòng)余熱載出方式，其單堆的輸出功率受到限制，最大熱功率只能達(dá)到200～260MW。其輸出電功率只能達(dá)到100MW規(guī)模容量，相比壓水堆核電廠(chǎng)，其容量規(guī)模較小。但是，南非ESKOM公司設(shè)計(jì)的100MW發(fā)電容量的高溫氣冷堆的經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果表明，與大容量的壓水堆核電廠(chǎng)相比較，其發(fā)電成本有很好的競(jìng)爭(zhēng)力，而且可以與當(dāng)?shù)亓畠r(jià)的煤電成本相比較。主要的因素有以下幾點(diǎn)：
�、俑叩陌l(fā)電效率：其發(fā)電效率比壓水堆核電廠(chǎng)高出約25％。
�、诮ㄔ熘芷诙蹋�100MW容量高溫氣冷堆采用模塊化建造方式，建造周期可縮短到兩年，與壓水堆核電廠(chǎng)5～6年的建造周期相比，降低了建造期的利息，可使建造比投資減少20％左右；
�、巯到y(tǒng)簡(jiǎn)單：高溫氣冷堆具有的非能動(dòng)安全特性使系統(tǒng)大為簡(jiǎn)單，不必設(shè)置壓水堆核電廠(chǎng)中的堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng)和安全殼等工程安全設(shè)施，節(jié)省了建造投資。
清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院長(zhǎng)期以來(lái)一直從事高溫氣冷堆技術(shù)的研究和發(fā)展工作，基本掌握了高溫氣冷堆設(shè)計(jì)和建造的關(guān)鍵技術(shù)。目前正在建造一座10MW的高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆，計(jì)劃在2000年底前建成。并以此為基礎(chǔ)，推進(jìn)高溫氣冷堆在我國(guó)的發(fā)展。
作者簡(jiǎn)介：吳宗鑫，男，1937年生。1962年畢業(yè)于清華大學(xué)工程物理系反應(yīng)堆專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)為清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院研究員，院長(zhǎng)。
參考文獻(xiàn)：
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