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启明星Ⅲ号首次实现临界 车载核能未来可期

北极星电力网新闻中心  来源:科工力量  作者:程小康  2019/11/26 9:29:44  我要投稿  
所属频道: 核电   关键词: 小型核电站 中核集团 核反应堆

北极星核电网讯:2019年10月9日,我国首座铅铋合金零功率反应堆——启明星Ⅲ号,在中核集团中国原子能科学研究院实现首次临界,并正式启动我国铅铋堆芯核特性物理实验,这标志着我国在铅铋快堆领域的研发跨出实质性一步,进入工程化阶段。对此,观察者网专访了中核集团中国原子能科学研究院铅铋反应堆及零功率实验项目相关负责人。

(来源:微信公众号“科工力量”  ID:guanchacaijing  作者:程小康)

(采访、整理/程小康)

观察者网:首先请介绍一下铅铋零功率反应堆——启明星Ⅲ号项目概况?

负责人:原子能院是我国唯一的液态金属冷却快堆研发中心,一直致力于新型快堆技术的研发。作为第四代核能系统论坛将铅铋反应堆列为六种优选堆型之一铅铋快堆正逐渐接近工程应用水平。启明星系列零功率装置,是中核集团为开发先进反应堆工程技术而自主设计和建造的国内唯一的重要反应堆物理实验平台。2005年7月,在原子能院建立了我国首座快热耦合ADS次临界反应堆——启明星I号,2016年12月,在原子能院启明星II号双堆芯零功率装置实现临界,以启明星I号和II号为基础,针对铅铋堆技术研发目标,历时近两年建成了启明星III号,并于2019年10月9日实现临界。

观察者网:什么是铅铋零功率反应堆?该型反应堆有什么特点?

负责人:反应堆分类形式多种多样,按中子能谱分类,可分为热中子堆、中能中子堆和快中子堆;按冷却剂类型分类,可分为气冷快堆、钠冷快堆和铅/铅铋冷却快堆。

零功率装置是运行功率极低(最高不超过100瓦)的反应堆,以此获取的零功率实验数据如同“标尺”一般,能够对关键核数据、堆芯物理设计方法、反应堆测量技术等的准确性和可靠性进行“标定”。是获取反应堆最为关键的堆芯核参数,验证基础核数据和堆芯设计方法,以及开展反应堆运行技术研究的最佳平台。

观察者网:铅铋零功率反应堆——启明星Ⅲ号首次实现临界有哪些重大意义?

负责人:铅铋反应堆零功率装置成功实现临界后,将开展一系列实验工作,取得堆芯核参数实验数据,将直接用于中核集团各型号铅铋反应堆工程化设计基础核数据的宏观检验、堆芯设计与安全分析方法的全面验证,以及反应堆运行技术的创新研发,为我国在先进反应堆工程技术领域尽早达到世界领先水平做出基础性和创新型贡献。启明星Ⅲ号既设计为百万千万级大型电厂,也可以设计为兆瓦级小型模块化核电源,甚至可以车载、移动同时保证足够核能供应。

观察者网:在前期设计和建造阶段,铅铋零功率反应堆——启明星Ⅲ号克服了哪些难点?

负责人:在前期设计中,我们从零开始,选取了可靠的设计工具和核数据,进行了充分的验证确认(V&V),尽可能地降低了设计偏差和不确定性;采取了对称紧凑的设计方案,确保实验结果能够有效解决工程问题;优化了堆本体布局方案,提高了中子利用率,减少了对核燃料装载量;采用了多重非能动停堆方式和控制手段,保证了实验运行的安全性。

在建造过程中,我们充分发挥“小核心、大协作”作用,联合多家高水平单位开展技术攻关,完成了系统部件的精密加工;克服了堆芯紧凑,安装精度要求极高的困难;充分测试验证了各项安全控制手段,确保运行安全;针对特殊的中子能谱和空间分布,研发了多种新型中子测量技术,搭建了多套测量系统,确保实验结果的准确性。

观察者网:与气冷快堆、钠冷快堆相比,铅铋冷却快堆有哪些不同之处?

负责人:钠冷快堆采用钠作为冷却剂的优点是热导率和比热容高,中子吸收截面低,不易活化,与结构材料的化学相容性好;气冷快堆一般采用氦/氦氙作为冷却剂,部分堆型选择超临界二氧化碳作为冷却剂,其主要优点是热效率高,物化性质稳定,慢化效应小,可提高潜在增值比;铅铋快堆采用低熔点、高沸点的铅铋共晶合金作为冷却剂,相比于气冷快堆、钠冷快堆,铅铋快堆由于中子经济性好,嬗变率高,功率密度高,传热性能强,热点转换效率高,具有更好的安全性,可满足特殊应用需求。例如,偏远地区供电,给大型超算中心、深海空间站及其他水下核动力供电等。

观察者网:在铅铋快堆研发领域,其他国家进展如何?中国处于什么位置?

负责人:早在上世纪50年代,前苏联就开始研究液态铅/铅铋冷却快堆,但直到1990年代初,俄罗斯提出了SVBR-75/100设计概念,解密了俄罗斯独特的铅铋共晶体(LBE)反应堆技术,同时,高放废物分离-嬗变研究中提出加速器驱动的次临界快堆(多选铅铋冷快堆)方案,国际上关于铅冷快堆的研究工作才广泛开展,目前俄罗斯、美国、欧盟等国家技术较为成熟。俄罗斯于2007年5月,宣布开发三种堆型(SFR、LFR和VGTR)5个系列(BN-800,BN-1800,SVBR,BREST,GT-MGR)第四代反应堆,显示出俄罗斯开发新一代核电技术的强大实力和技术储备。铅铋堆的主要代表型号有SVBR-100(发电容量100MWe)、BREST-OD-300(300 MWe)。美国在核动力技术研究应用方面具有丰富经验,在核动力小型化、自主控制方面卓有成效,与俄罗斯总体水平相当。主要代表堆型SSTAR(10MWe-100MWe)、DLFR(210MWe)。欧洲最早关于LBE和铅冷却剂的研究与加速器驱动次临界洁净核能系统(ADS)概念的发展相关,建成了许多核设施,而且至今仍在运行。代表堆型ELSY(600MWe)、SEALER(瑞典,3-10MWe)。

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俄罗斯开发的代表堆型BREST-OD-300

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美国开发的代表堆型SSTAR

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欧洲开发的代表堆型ELSY

近年来,我国有关单位启动了铅铋快堆的技术研发。中核集团长期致力于液态金属冷却快堆工程技术研发以及铅铋堆基础技术开发工作,在该领域拥有国内领先的技术基础和工程实践,是我国唯一具备完整核燃料循环产业链的大型集团。2018年,在国家发展战略需求牵引下,中核集团瞄准铅铋堆在特定应用场景的工程应用,开启了新一轮铅铋堆技术开发工作。

观察者网:报道称“铅铋堆小型化后可以成为真正的移动电源”,对此如何解读?目前实现小型铅铋堆还存在哪些技术难题?

负责人:由于我国对于铅铋快堆研发启动相对较晚,短期内可能存在一定的技术问题,但我坚信在不久的将来,在大家的共同努力下都会迎刃而解。首先,结构材料在铅铋合金中的腐蚀问题。目前原子能院拥有国内首个用于结构材料抗铅铋腐蚀冲刷的高性能铅铋动态腐蚀试验回路,正在模拟开展除辐照条件外的堆内运行工况下,结构材料在高温高流速的铅铋合金中的腐蚀冲刷性能以及质量迁移效应等腐蚀机理研究和工程验证实验设备研发。其次,关键设备研发和制造,所有设备都属于国内首次加工制造的设备,对设计方和生产厂家要求极高。

观察者网:如果铅铋堆成功小型化后,展望一下未来的应用场景?

负责人:未来将围绕海岛建设、一带一路倡议以及2025中国制造等国家层面发展需求,在前期研究成果的基础上,全面进入示范型号建设阶段。中核集团将以“十四五”末建成小型固定式铅铋堆核电源为首要目标,开展型号设计、建造相关工作,最终实现小型铅铋堆应用技术突破,形成型号谱系化开发能力和批量化生产应用能力,为我国在先进反应堆工程技术领域尽早达到世界领先水平做出创新性贡献。

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