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2002年核能系统国际论坛(GIF)确立了6种有前途的第四代核电反应堆作为重点研发对象,包括3种快中子堆——钠冷快堆(SFR)、铅冷快堆(LFR)和气冷快堆(GFR),以及3种热中子堆——超临界水冷堆、超高温气冷堆(VHTR)和熔盐堆(MSR)。2014年又公布了一份新的《第四代核能系统技术路线图》,对2002年路线图的相关内容进行了更新,并明确了未来10年内第四代核电反应堆研发工作的重点。
气冷堆是国际上反应堆发展中最早的一种堆型,这种反应堆初期被用来生产军用钚,20世纪50年代中期以后发展成为商用核电站的堆型之一。气冷堆的发展大致可以分为四个阶段:即早期气冷堆(Magnox)、改进型气冷堆(AGR)、高温气冷堆(HTGR)和模块式高温气冷堆(MHTGR)。
高温气冷堆按燃料元件的形状可分为两种:球床型高温气冷堆、棱柱型高温气冷堆。棱柱型高温气冷堆采用棱柱形燃料元件,如美国圣?符伦堡核电厂、日本HTTR试验堆。棱柱燃料因为有固定形状,避免了球床燃料的内部状态(如高温热点)难以探测、难以预测、难以控制的问题,但棱柱燃料也有在高温下可能变形肿胀从而堵塞流道的问题。德国、南非和我国的高温气冷堆则为球床型,具有不停堆换料的独特优点。而技术路线的选择往往是综合考虑下的反复权衡,两种技术路线各有利弊。
中国高温气冷堆到底如何
严格讲,核能系统国际论坛定义的六种四代堆之一的是超高温气冷堆(VHTR),出口温度要达到1000摄氏度。而中国高温气冷堆的出口温度为750—900摄氏度(二代改进型气冷堆出口温度650摄氏度)。按照这个标准,清华的高温气冷堆(HTR)是不算四代核电反应堆的。想必也是因此,清华和华能对外的宣传是“世界首台具备第四代核能系统安全特性的商用核电机组”——并没有直说这就是四代堆,意思是安全性达到了VHTR的标准,从而避开了出口温度的问题。
▲60万千瓦高温气冷堆核电站厂房立体剖面图
本次中国的60万千瓦高温气冷堆采用6个反应堆模块连接1台蒸汽机轮机的设计方案,每个反应堆模块热功率为250兆瓦,机组的热功率将达到1500兆瓦,电功率可达655兆瓦,发电效率43.7%(也有资料称是40%)。43.7%的发电效率是什么概念呢?
中国引进的美国AP1000发电效率32.7%(也有资料称是36.8%);中国实验快堆发电效率38.2%。从中可见,虽然60万千瓦高温气冷堆热功率和电功率数据并非首屈一指,但考虑到提高效率的难度非常大,43.7%的效率已经很高了。
而且高温气冷堆还有进一步提高发电效率的潜力。根据二回路能量转换装置的匹配方式不同,高温气冷堆可以分为三种回路系统:蒸汽循环系统、气体间接循环系统和氦气直接循环系统。目前的60万千瓦高温气冷堆方案采用的只是其中热效率最低的蒸汽循环系统,后两种循环系统还能进一步提升机组热效率。尤其是氦气直接循环系统将堆芯出口的高温一次氦气直接送入氦气透平发电机组做功发电,是最理想的一种循环方式,能充分发挥高温堆的高温潜力,提高发电效率。不过,要实现还有很多技术难题未解决。
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