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先进的核能技术:高温气冷堆
我国大型核电站建设已经取得重大进展,目前在役机组15台,在建机组26台。主要堆型是压水堆,其中最先进的AP1000MW和EPR1700MW的第三代压水堆,不久也将在我国建成投产。由于国际上发生核事故的影响,核电采取稳步有序和慎重的推进速度。而且国家核电发展规划要求,新建核电机组必须符合三代安全标准,提高了准入门槛。
核电还是一项较新的工程技术,目前压水堆向大型化高投资方向的发展空间已经受到限制,因此近来向小型化固有安全的方向提出了很多研究设计方案。国家规划也要求,要用最先进的成熟技术,持续开展在役在建核电机组安全改造,不断提升我国核电机组的安全性能。因此,如果能够在自主研发和技术创新方面,获得技术先进性和成熟性的实质性进展,我国就可能在核能利用上打开新局面。
高温气冷堆就是核电的先进技术,它的先进性表现在可以输出800℃到1000℃的高温热能,模块化设计获得了第四代核电才具有的固有安全性,使它可以避免发生严重的堆芯熔化事故。但近来研究又发现一些影响安全运行的问题,这些问题必需排除,才能达到设计成熟水平。
高温气冷堆存在的问题高温气冷堆在几十年研究中,一直存在两种堆型,即柱状燃料堆和球形燃料堆,两种堆型各自存在本身特有的问题。简单地说,柱状燃料堆由于燃料块体积大,加工制造和辐照考验困难,在堆内的辐照变形出现间隙和振动问题也难以解决,目前还处于建造大型实验堆的前期。不过它的模块化设计性能,如单堆功率、输出温度和热电转换效率都好于球形燃料堆。
球形燃料堆近来的研究,发现了一些不容忽视的影响安全运行的问题。例如,在过去德国球床实验堆AVR上,曾发现吸附裂变产物的石墨粉尘达50-60kg之多。如果当时发生氦气泄漏事故,很可能造成放射性外泄,甚至发生高温石墨粉遇到空气爆燃或火灾等事故。大量石墨粉不仅使反应堆退役遇到困难,而且现有安全壳设计也不能满足安全要求。主要原因是运行过程中,所有燃料球都在不停的旋转和移动,因此产生大量石墨粉。
另外,高温下燃料球移动规律不可能在常温实验条件下获得,高温移动特性不十分清楚,很可能在某些边角处有结晶化倾向,造成移动速度过慢,引发超燃耗限值,并产生不应有的放射性释放。燃料球移动又导致轴向功率分布严重不均,使平均功率降低一倍以上。总之,吸取过去实验堆教训,不用燃料球不停滚动的设计,像大多数其它各类反应堆那样定期换料,将不会出现球床堆的这些严重问题。
高温气冷堆的改进南非在大量资金支持下,在德国技术基础上完成了球床高温气冷堆(PBMR)电功率165MW的工程设计,并与美国、法国等公司合作准备投入建造,可是在上述问题面前,于2年前停止了该项工程。但是,在挑战面前存在机遇,上述球形燃料堆存在的问题在柱状燃料堆上,并不存在。而柱状堆的问题,在球床堆上也不存在。利用两种实验堆经验,去劣存优就出现了一种基于两类堆型而高于两类堆型的高温气冷堆成熟技术,即规则床模块式高温气冷堆。
规则床模块式高温气冷堆的燃料是球形元件,堆积到堆芯就形成“结晶式”的固定结构,同柱状堆一样成为规则的堆芯外形,实现定期换料。运行中燃料球没有移动,就排除了球床堆的上述所有问题,同样也没有柱状堆的上述问题。它的设计性能,如单堆功率、输出温度和热电转换效率都接近和高于柱状燃料堆,设计后的断面图形很像柱状堆。如果采用高温气冷堆较小的压力壳,以及配套的风机等设备,堆芯直径3m,堆芯高8m,在现有安全限值下,热功率就可以达到400MW。
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