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聚焦华能高温气冷堆核电站 “未来核电”出发
时间:2014-12-30 15:56 来源:中电新闻网 作者:中电新闻网

  石岛湾:未来核电出发
  中国电力报 中电新闻网记者 彭源长

  在山东半岛最东端的荣成市的海岸线上,一个叫石岛湾的地方很早就进入核电建设者的视野,以其优良的地质地貌等条件,被规划为大型核电基地。
  12月中旬,记者来到石岛湾看到,这儿实际分为两部分电站。主体部分是规划的数台大型压水堆,仍静待国家重启核电。在场地一角,2012年开工建设的“华能高温气冷堆示范核电站”的核岛施工则正在进行,已初具雏形。
  相对于身旁规划的动辄百万千瓦的大型压水堆“兄弟”,高温气冷堆的个头实在不起眼,只有20万千瓦。但是,以其出众的发电效率,尤其是突出的安全性,它和快堆技术被并称为“超越下一代”的“未来核电”。
  因此,它频频出现在我国能源战略文件中,并吸引全世界业界的目光。6月23日,国家能源局局长吴新雄在全国 “十三五”能源规划工作会议上要求,推进华龙1号、AP1000、CAP1400、高温气冷堆、快堆技术攻关,同时加快国内自主技术工程验证,重点建设好大型先进压水堆、高温气冷堆重大专项示范工程。10月28日,该领域最高水平的国际会议——国际高温气冷堆技术会议在荣成开幕,来自全球16个国家和地区的400多名专家学者与会并参观石岛湾高温气冷堆示范工程。
  超越下一代
  核电站的堆型一般是根据慢化剂和冷却剂的不同来划分。核电运行中,用来触发核燃料链式反应的中子的速度一般需要慢化,需要慢化剂 (快堆不用慢化剂,采用钚或高浓缩铀作燃料);核燃料   需要冷却和传热做功,需要冷却剂。用来冷却的介质一般有液态水和二氧化碳、氦等气体,堆型就分为水冷堆和气冷堆。气冷堆的慢化剂是石墨,叫石墨气冷堆(用天然铀燃料)。水冷堆一般也用水作慢化剂。用来慢化中子的水又分为轻水和重水,堆型就有重水堆(坎杜堆,可用天然铀作原料)和轻水堆之分(用低浓缩铀作原料)。轻水堆中又分为沸水堆和压水堆。沸水堆不设蒸汽发生器,水流过燃料组件时慢化中子的同时吸收热量形成蒸汽,高压状态下泵入涡轮做功发电。
  压水堆则需要蒸汽发生器。在巨大压力下,经过燃料组件并被加热的始终是液态水,进入蒸汽发生器后加热它回路中的水产生蒸汽,驱动涡轮发电。
  华能石岛湾核电公司总经理贺云生告诉记者,现在世界上商业运行的400多台机组大部分在20世纪70年代石油危机后建设,称为第二代核电机组,都是不同型号的水冷堆,主要是压水堆。第二代技术证明了核电在经济上是可行的。但是前苏联切尔诺贝利核电站和美国三里岛核电站事故的发生,让人们意识到第二代技术的不完善性。在美欧等国家的推动下,第三代核电的概念产生。一个根本差别是,第三代核电技术把设置预防和缓解严重事故作为设计核电站必须满足的要求。
  当前世界各国除了对正在运行的第二代机组进行延寿与补充性建一些二代加的机组外,核电建设重点转向更安全、更经济的第三代核电机型。我国第三代核电建设的步伐走在世界前列。国家核电技术公司引进的美国先进非能动型压水堆(AP1000,落地电站浙江三门、山东海阳,正在建设)以及中国广核集团公司引进的法国欧洲改进型压水堆(EPR,落地电站广东台山,在建)都属于第三代核电机型。同时,由中广核和中核联合开发的融合了“能动与非能动”先进设计理念的我国自主三代核电“华龙一号”已经基本成型,具备建设条件 (落地机组福建福清5、6号机组和防城港二期)。此外,在消化引进第三代先进核电AP1000技术的基础上,我国还正在开发具有我国自主知识产权、功率更大的非能动大型先进压水堆CAP1400(示范电站规划于山东荣成石岛湾)。
  华能高温气冷堆核电站属于什么技术?华能石岛湾核电公司副总经理张爱军形容,它是“超越第三代技术”、具有第四代核电特征的先进反应堆。
  未来核电
  张爱军介绍,在三里岛和切尔诺贝利事故后,世界核能界积极研究开发新一代具有更好安全性的核电技术。在轻水堆技术方面,发展了AP1000、EPR等第三代核电技术。在气冷堆领域,于1980年初,德国西门子公司提出模块式高温气冷堆概念。这种反应堆不但工作温度远高于现在的设计,从而获得更高的效率;更吸引人的是,在丧失冷却剂事故下,不采取任何应急冷却措施,燃料元件的最高温度不会超过其设计损坏限值。
  它的工作原理是,高温气冷堆采用陶瓷型包覆颗粒燃料元件,采用耐高温的石墨作为慢化剂和堆芯结构材料,用化学惰性的氦气作为冷却剂,利用氦气将反应堆裂变反应产生的热量导出,加热二回路不带放射性的水产生蒸汽,高温高压的蒸汽推动汽轮机旋转从而带动发电机发电。它引人注目的安全目标是:所有现实可设想的严重事故的后果都不得有显著的场外辐射影响。模块式高温气冷堆因此成为第四代核能系统技术的6个候选堆型之一。
  这种反应堆比现在的反应堆要稳定得多。华能石岛湾核电公司运行部主任陈立强告诉记者,其原理有关“多普勒展宽”。铀燃料越热,燃料分子振动就越强。当反应堆内部温度升高,铀-235吸收自由中子的能力降低,从而产生的裂变减少。与此同时,燃料颗粒中的铀-238吸收中子的能力变强,导致自由中子数量减少。因此,燃料温度越高,裂变强度越低。(每个反应堆都存在这个现象,高温气冷堆则更有效地运用了这种影响。)随着功率降低,反应堆将稳定在某个温度,而高温气冷堆的球形燃料足以耐受这些温度。这样,高温气冷堆排除了因燃料球烧毁而导致堆芯熔化的可能,在严重事故下可依靠自身的负反应性补偿能力实现自动停 堆,出现任何事故在技术上甚至不需要采取厂外应急措施。
  由于有这样突出的安全特性,国际核电界一直紧锣密鼓展开对高温气冷堆技术的研究。2005年美国能源法案要求能源部必须在2021年前开发高温气冷堆技术。法国的法马通公司也在积极开展高温气冷堆技术研究,并已参加美国爱达荷高温气冷堆项目的投标。日本已经建成了高温工程试验研究堆HTTR用于研究高温气冷堆技术和高温制氢技术。
  在目前全球罕有在运第三代核电的情况下,难怪业界将石岛湾高温气冷堆称为“未来核电”技术。
  世界首座
  我国的高温气冷堆的研究发展工作始于20世纪70年代中期。1992年,作为863计划能源领域的重点项目,确定在清华大学核研院建一座10兆瓦高温气冷实验堆(HTR-10),其热功率为10兆瓦。2000年12月,HTR-10建成并首次临界成功。从2004年开始,华能集团联合清华大学和中国核工业建设集团公司启动了20万千瓦级高温气冷堆核电站示范工程的前期工作。2007年1月,由中国华能集团公司、中国核工业建设集团公司、清华大学各出资47.5%、32.5%和20%共同组建华能山东石岛湾核电有限公司。2011年3月1日,高温气冷堆示范工程项目核准报告顺利通过国务院办公会议批准。2012年12月9日,高温气冷堆示范工程第一罐混凝土浇筑,标志着项目正式开工建设。计划到2017年,石岛湾高温气冷堆将建成发电。
  华能石岛湾核电公司副总经理吕华权自豪地说,这将是1986年切尔诺贝利核事故后世界上第一个建造的、具有固有安全特性的商用新型核电站。“石岛湾高温气冷堆发电效率不低于40%,机组可利用率不低于80%,设备国产化率不低于75%,达到第四代核能系统的核安全目标,标志着我国的高温气冷堆技术已走在了世界前列。”吕华权还介绍,高温气冷堆核电站的应用前景非常广。由于采用模块化建造,一个厂址可布置多个同样的模块,通过模块化、标准化、批量化建造来降低成本。由于热效率高,高温气冷堆核电厂排出的废热比轻水堆核电厂少35~40%。高温气冷堆核电厂可以建在冷却水源不足的地方,选址非常灵活;由于热污染少,可以建在人口较密的城镇附近。此外,高温气冷堆核电站反应堆出口的氦气温度达到700~900摄氏度,是一种优质的工艺热源,可用于水热裂解制氢,为未来氢能时代提供清洁能源。
  就像积极参与“未来煤电”技术发展,建设天津IGCC示范电站一样,在发展世界先进核电技术上,华能同样走在前面。华能集团瞄准石岛湾这个优良的核电基地,一方面积极参与第三代核电技术开发建设,一方面超前地推进具有第四代核能技术特征的高温气冷堆核电站建设。一个国际领先水平的大型核电基地呼之欲出。