高溫氣冷堆技術(shù)開(kāi)發(fā)需要改進(jìn)和創(chuàng)新

1、高溫氣冷堆技術(shù)開(kāi)發(fā)需要改進(jìn)和創(chuàng)新編者按5月26日,國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)高溫氣冷堆核電站示范工程全范圍模擬機(jī)供貨合同簽署,這標(biāo)志著我國(guó)核電仿真自主化取得新進(jìn)展。近日,有讀者致信本報(bào),欲了解高溫氣冷堆的技術(shù)現(xiàn)狀和創(chuàng)新方向。為此,本報(bào)特約田嘉夫先生撰文,介紹國(guó)際高溫氣冷堆研發(fā)運(yùn)行的相關(guān)情況。高溫氣冷堆的技術(shù)進(jìn)展氣體冷卻反應(yīng)堆與水冷卻反應(yīng)堆一樣都是最早開(kāi)發(fā)研究的堆型。經(jīng)過(guò)幾十年的研究發(fā)展,氣冷堆技術(shù)顯現(xiàn)出許多優(yōu)越性。其中工作溫度高,熱能轉(zhuǎn)換效率高的堆型,被稱(chēng)為高溫氣冷堆。高溫氣冷堆是以耐高溫陶瓷型包覆顆粒為燃料,以具有化學(xué)惰性和反應(yīng)性惰性的氦氣為冷卻劑,以耐高溫石墨為慢化劑、反射層和結(jié)構(gòu)材料。由于沒(méi)有金屬材料

2、,冷卻劑出口溫度可以達(dá)到和超過(guò)950,發(fā)電效率能夠比水冷堆高出40%。除發(fā)電外,還能作為高溫工藝用熱以及高效率制氫的供熱能源。上世紀(jì)80年代,德國(guó)科學(xué)家提出的高溫氣冷堆模塊化設(shè)計(jì)概念,排除了堆芯熔化和發(fā)生嚴(yán)重事故的可能,提高了反應(yīng)堆的固有安全性。使它從第2 代和第3代核電堆型中脫穎而出,具備了第4代堆得一些特點(diǎn)。固有安全性設(shè)計(jì)省去了冗余的安全設(shè)置,省去了承壓安全殼,簡(jiǎn)化了反應(yīng)堆系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)。有更寬容的選址適用范圍,可以靠近城市或人口密集區(qū)域。另外,模塊化設(shè)計(jì)可以直接耦合氦氣透平機(jī)組,使能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)更簡(jiǎn)單,發(fā)電效率更高。它的高度的反應(yīng)堆安全性、顆粒燃料良好的防核擴(kuò)散性能,以及高效率發(fā)電和制氫能力,

3、在國(guó)際上受到廣泛重視,被列為第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)中優(yōu)先發(fā)展的堆型之一。前些年,很多國(guó)家都積極地投入了開(kāi)發(fā)研制工作。中國(guó)和日本分別建造了小型高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆,即中國(guó)的10 MW球形燃料堆(HTR-10及日本的30 MW柱狀燃料堆(HTTR。為擴(kuò)大商用堆單堆功率規(guī)模都采用環(huán)形堆芯設(shè)計(jì),在原柱狀燃料堆實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,美國(guó)和俄國(guó)聯(lián)合設(shè)計(jì)了柱狀燃料模塊堆(GT- MHR,日本也設(shè)計(jì)了柱狀燃料模塊堆(GTHTR300,單堆熱功率均為600 MW,電功率接近300 MW。在原德國(guó)卵石床堆(球形燃料堆實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,中國(guó)和南非分別設(shè)計(jì)了球形燃料模塊堆(HTR-PM及PBMR,熱功率為458和400 MW,電功率為19

4、5和165 MW。多年來(lái)球形燃料堆和柱狀燃料堆形成了兩套設(shè)計(jì)體系,它們的主要區(qū)別是堆芯燃料元件形狀和尺寸的不同,一個(gè)是六角形棱柱燃料,另一個(gè)是球形燃料。模塊化設(shè)計(jì)的單堆功率較小,提高功率改善反應(yīng)堆經(jīng)濟(jì)性是一個(gè)主要研究課題。為達(dá)到商用核電的經(jīng)濟(jì)規(guī)模,美國(guó)設(shè)想4×600 MW組合的柱狀燃料堆,總電功率接近1200 MW,但卻認(rèn)為缺乏經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。球形燃料堆的功率規(guī)模更小,和柱狀燃料堆一樣設(shè)計(jì)上也存在一些技術(shù)問(wèn)題,如果僅僅停留在80年代以前AVR及THTR卵石床堆(德國(guó)在當(dāng)時(shí)建設(shè)的兩臺(tái)實(shí)驗(yàn)氣冷堆編者注的研究水平上,單堆功率甚至還不能實(shí)現(xiàn)上述規(guī)模,恐怕很難成為經(jīng)濟(jì)上有競(jìng)爭(zhēng)力的第4代核電堆型。卵

5、石床堆存在的問(wèn)題卵石床堆的堆芯結(jié)構(gòu)與其它各種堆型截然不同,它是堆芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的一次巨大變革。首先,卵石床堆能夠成功運(yùn)行,說(shuō)明了包含覆蓋顆粒的獨(dú)一無(wú)二的球形燃料的成功;其次,說(shuō)明了燃料球以極其簡(jiǎn)單的方式卵石隨機(jī)堆積形式構(gòu)成堆芯的成功。這種構(gòu)成堆芯方式不同于現(xiàn)有其它各種類(lèi)型反應(yīng)堆,如:壓水堆、沸水堆、重水堆以及快中子增殖堆,它們都是將燃料元件做成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的燃料組件,其中包括一些彈性元件及保持冷卻劑均勻分布的元件,再將組件安置在更為復(fù)雜的堆芯結(jié)構(gòu)內(nèi)。這樣它們才能適應(yīng)強(qiáng)輻照、高溫、高流速以及高熱負(fù)荷的環(huán)境,承受高燃耗下的腫脹、變形甚至破損的影響。而卵石床能夠適應(yīng)這種嚴(yán)酷的環(huán)境,但構(gòu)成方式卻異常簡(jiǎn)單,就

6、如同從卡車(chē)上把“卵石”卸到空腔一樣。這種堆芯結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單,但不夠完善,球形燃料元件潛在的巨大優(yōu)越性還沒(méi)有表現(xiàn)出來(lái)。對(duì)現(xiàn)有的高溫氣冷堆研究后發(fā)現(xiàn),卵石床堆存在一些技術(shù)問(wèn)題。過(guò)分簡(jiǎn)單的隨機(jī)堆積方式不能滿足反應(yīng)堆多方面的技術(shù)要求,特別是在模塊化設(shè)計(jì)中,顯現(xiàn)出很多不足和缺憾:反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中“燃料卵石”從上向下移動(dòng),燃料燃耗從上到下逐漸加深,造成堆芯功率分布極不均勻。為了減緩這種影響,只好提高卵石流動(dòng)速度,使它們平均6次或10次穿過(guò)堆芯后達(dá)到目標(biāo)燃耗。這樣做的結(jié)果,增加了裝卸機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)和卵石的磨損,產(chǎn)生更多的石墨粉。雖然功率均勻性好一些,但還不能達(dá)到展平的效果。功率分布不均勻系數(shù)的設(shè)計(jì)值在4.5左右,

7、與此相比,現(xiàn)代壓水堆的不均勻系數(shù)僅為2.6。這也是導(dǎo)致卵石床模塊堆功率密度低,單堆功率小的原因之一;卵石的隨機(jī)堆積使燃料裝入后不能實(shí)驗(yàn)測(cè)量中子注量率和功率分布,而且很難監(jiān)測(cè)可能產(chǎn)生的局部密實(shí)化(結(jié)晶化,對(duì)溫度分布和功率分布增大了不確定性,限制了輸出功率和溫度的提高,這也是對(duì)AVR實(shí)驗(yàn)堆安全性產(chǎn)生懷疑和爭(zhēng)議的原因之一;冷卻劑穿過(guò)卵石床堆芯的阻力很大,這是造成功率密度低和循環(huán)熱效率低的又一重要原因。由于這些問(wèn)題的存在,反應(yīng)堆的一些主要技術(shù)性能遠(yuǎn)不如柱狀燃料高溫氣冷堆。這主要是因?yàn)槁咽浴盁o(wú)序”和“隨機(jī)”的狀態(tài)散裝在堆芯內(nèi)造成的,對(duì)卵石床進(jìn)行改進(jìn)是必要的、可能的,也是容易實(shí)現(xiàn)的。卵石床堆的改進(jìn)雖然卵

8、石床堆不能像壓水堆燃料元件那樣做成組件,再由組件構(gòu)成堆芯,但每個(gè)燃料球是可以在堆芯內(nèi)有固定位置,從而改善因散裝狀態(tài)造成的問(wèn)題。首先,燃料球不應(yīng)該被簡(jiǎn)單地看成“卵石”,因?yàn)槁咽话闶侵复笮〔灰恍螒B(tài)各異的石塊,隨機(jī)堆積是它唯一的堆放形式。球在隨機(jī)堆積中,球體重力和球間摩擦力形成一種較松散的平衡體系,其空隙率大約為39%。但燃料球不同,它是經(jīng)過(guò)精密加工尺寸精確和形狀規(guī)則的球體,除隨機(jī)堆積外,它還可以呈現(xiàn)規(guī)則堆積。正四棱錐堆積就是規(guī)則堆積之一,在水平的底面上,加工很多半球形凹陷,使落入的燃料球成正方形排列,每4個(gè)球的中心又形成新的凹陷,它又成為次一層球的位置,以此層層累積形成正四棱錐規(guī)則堆積。美國(guó)布魯

9、克海文實(shí)驗(yàn)室在上世紀(jì)60年代,曾提出利用這種規(guī)則堆積形式構(gòu)成鈉冷快中子增殖堆堆芯,并進(jìn)行了許多規(guī)則床的實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)采用有間隙正四棱錐規(guī)則堆積及一些特殊裝卸燃料措施以后,規(guī)則堆積完全能夠適應(yīng)模塊式高溫氣冷堆堆芯結(jié)構(gòu)要求。燃料球一次裝入和卸出,放棄連續(xù)換料,以批換料方式運(yùn)行。構(gòu)成的堆芯橫截面呈八角形,如果是有中心石墨柱的環(huán)形堆芯,就可以做成八角形環(huán)形堆芯,能滿足規(guī)則堆積要求,它的八分之一模型見(jiàn)圖3。如圖3所示,只要堆芯空腔底面和側(cè)壁做成這種幾何形狀,由頂部隨機(jī)落入的燃料球,就會(huì)依次排列成規(guī)則堆積床。規(guī)則床模塊式高溫氣冷堆堆芯是一種新穎的堆芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),它在多方面改變了卵石床模塊堆特性。卵石床堆存在的

10、高溫下石墨摩擦系數(shù)高,影響球床流動(dòng)特性和產(chǎn)生石墨粉問(wèn)題,以及球床局部密實(shí)化的問(wèn)題,在規(guī)則床中都不存在。由于規(guī)則床內(nèi)分布有直通孔道,在反應(yīng)堆啟動(dòng)階段,可以實(shí)驗(yàn)測(cè)量中子注量率和功率分布,冷卻劑流道也十分規(guī)則,能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)堆內(nèi)溫度分布。規(guī)則床模塊堆的優(yōu)越特性球形燃料元件從隨機(jī)堆積到有序排列的改變,對(duì)反應(yīng)堆物理、熱工和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),反應(yīng)堆運(yùn)行方式以及擴(kuò)展反應(yīng)堆應(yīng)用領(lǐng)域都產(chǎn)生重要影響,現(xiàn)簡(jiǎn)述如下:1、提高反應(yīng)堆性能和參數(shù)堆芯燃料球有固定的位置,可將不同燃耗深度的燃料球或石墨球分配到軸向和徑向的預(yù)定位置,能夠精細(xì)地展平兩維空間的功率和溫度分布,改變了卵石床堆功率和溫度分布極其不均勻的狀態(tài)。結(jié)晶化的密實(shí)體堆芯具

11、有結(jié)構(gòu)適應(yīng)性和穩(wěn)定性,允許冷卻劑以多流程或水平方向流經(jīng)堆芯,不會(huì)因流動(dòng)壓力和方向的改變而造成球床密度變化,大大降低了球床流動(dòng)阻力。提高了反應(yīng)堆比功率、冷卻劑出口平均溫度和熱能轉(zhuǎn)換效率。單堆熱功率預(yù)計(jì)可從卵石床堆的400 MW,提高到800 MW以上,而熱能轉(zhuǎn)換效率可以從卵石床堆的41%,提高到接近柱狀燃料模塊堆設(shè)計(jì)值47%,這將對(duì)模塊式高溫氣冷堆的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生重大影響。有可能利用3座或2座模塊堆就能達(dá)到商用核電的經(jīng)濟(jì)規(guī)模。2、排除了卵石床堆設(shè)計(jì)不確定因素球形燃料元件不同于柱狀燃料元件和其它類(lèi)型反應(yīng)堆的燃料元件,它特有的優(yōu)點(diǎn)是品種單一、便于批量生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、輻照穩(wěn)定性好,便于裝卸、運(yùn)輸和貯存等

12、。規(guī)則床模塊堆除保留了這些優(yōu)點(diǎn)外,還排除了卵石床堆設(shè)計(jì)中的一些不確定因素。譬如:靠近堆芯的反射層石墨塊在反應(yīng)堆壽期內(nèi)需要更換,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更換反射層石墨塊是很困難的,由于石墨材料耐輻照數(shù)據(jù)不足,更換周期也難以確定,甚至對(duì)這種堆型的開(kāi)發(fā)產(chǎn)生疑慮。規(guī)則床設(shè)計(jì)則可以在這種強(qiáng)快中子輻照區(qū)以石墨球代替石墨塊,從而減少和避免石墨塊的更換。另外,為了解卵石床堆燃料球在堆芯內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律,只能在冷態(tài)下做些實(shí)驗(yàn),還不能模擬熱態(tài)下石墨間摩擦系數(shù)增大后的情況。但是,球流規(guī)律卻需要輸入反應(yīng)堆物理熱工設(shè)計(jì)計(jì)算程序,去預(yù)測(cè)堆內(nèi)溫度和功率分布。如果預(yù)測(cè)不夠準(zhǔn)確,還會(huì)發(fā)生過(guò)熱或過(guò)燃耗情況。反應(yīng)堆長(zhǎng)年運(yùn)行情況是復(fù)雜的,不會(huì)一成不

13、變地遵守球流對(duì)應(yīng)燃耗分布的規(guī)律,例如,運(yùn)行中出現(xiàn)設(shè)備故障,會(huì)改變球的流動(dòng)與燃耗的對(duì)應(yīng)關(guān)系,甚至有時(shí)可能需要卸出全部燃料,當(dāng)再裝入堆芯時(shí),就沒(méi)有燃耗分布規(guī)律了,會(huì)造成運(yùn)行工況異常復(fù)雜。在規(guī)則床堆芯內(nèi),不存在這些問(wèn)題。3、堆體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式簡(jiǎn)化卵石床堆芯有上氣腔、上堆積錐及下出口錐等不規(guī)則形狀。規(guī)則床堆芯上下兩端是平面,沒(méi)有氣腔,緊靠石墨反射層,堆芯幾何形狀為八角形柱體或八角形有石墨芯柱體,形狀規(guī)則。它的反應(yīng)堆物理、熱工設(shè)計(jì)是簡(jiǎn)單的。卵石床堆芯有又粗又長(zhǎng)的燃料球出口管,當(dāng)堆芯較小時(shí),出口管也需要同樣尺寸,不僅占用更多燃料球,還使小堆的應(yīng)用受到限制。規(guī)則床不需要堆底卸料,沒(méi)有出球管,簡(jiǎn)化了復(fù)雜的堆底

14、結(jié)構(gòu),也減小了壓力殼尺寸。規(guī)則床堆像通常反應(yīng)堆那樣以定期停堆換料方式運(yùn)行,換料操作只在停堆和低溫低壓條件下進(jìn)行,不需要在運(yùn)行中裝入和卸出燃料,也就沒(méi)有在高溫高壓和強(qiáng)放射性條件下維護(hù)換料設(shè)備的需要。4、燃料裝卸運(yùn)輸和貯存發(fā)生重大變化規(guī)則床堆定期停堆換料與壓水堆的運(yùn)行方式相同,但換料操作大不相同。因?yàn)?0 mm直徑的燃料球,可以在管道內(nèi)自由輸送,容易設(shè)置防護(hù)和進(jìn)行強(qiáng)放射性操作。當(dāng)進(jìn)行堆芯換料時(shí),只需要打開(kāi)壓力殼上的一些開(kāi)孔,不需打開(kāi)壓力殼封頭,不需深水防護(hù),不需要龐大的操作空間和換料廠房。按照文獻(xiàn)2所述的裝卸料方法,預(yù)計(jì)停堆換料所需時(shí)間也會(huì)短于壓水堆的時(shí)間。同樣,它的轉(zhuǎn)移也不需要水下運(yùn)輸和水池貯存

15、,是一種較簡(jiǎn)單的干法運(yùn)輸和貯存,因此它會(huì)給反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)和更廣泛的應(yīng)用帶來(lái)革命性變化。5、創(chuàng)建新的燃料元件循環(huán)利用系統(tǒng)燃料球便于裝卸和運(yùn)輸,反應(yīng)堆卸出的燃料球經(jīng)過(guò)燃耗測(cè)量,可分辯出它們不同的燃耗深度,這些用過(guò)的燃料球與新燃料球恰好是批換料裝入新堆芯的需要。在功率較大的規(guī)則床堆內(nèi),燃料球經(jīng)過(guò)多次使用,幾乎都能達(dá)到包覆粒子燃料特有的深燃耗(80000120000 MWD/tU,因此可獲得較高的燃料經(jīng)濟(jì)性。在功率較小的規(guī)則床堆內(nèi),所需燃料富集度高而卸出的燃料還不能達(dá)到目標(biāo)燃耗。但燃料球可以不僅僅用在一座堆上,而是用于由許多大小堆組成的一個(gè)燃料球循環(huán)利用系統(tǒng),完全不同于壓水堆燃料組件只能用于一個(gè)特定反應(yīng)

16、堆的特性。按照這一系統(tǒng)的需要生產(chǎn)新燃料球,最終都平均達(dá)到目標(biāo)燃耗,這將帶來(lái)核燃料利用的一次重大革新。燃料球循環(huán)利用系統(tǒng)見(jiàn)圖5。在圖5所示的系統(tǒng)中,大小堆共享燃料成本,它的重要意義就在于小堆燃料成本顯著降低,是以前任何小型動(dòng)力堆所沒(méi)有的低成本。再加上,模塊式高溫氣冷堆特有的固有安全性,使核能有可能以中小功率規(guī)模,例如熱功率在 200400 MW及20200 MW,以低于煤炭、石油、天然氣或電力成本,供應(yīng)清潔的電能或熱能。燃料成本的顯著降低是中小規(guī)模動(dòng)力堆應(yīng)用的重要突破,在世界上將會(huì)有龐大的市場(chǎng)需求。規(guī)則床堆的不利因素和所需要的研發(fā)工作卵石床堆采用燃料球連續(xù)換料,可以減少過(guò)剩反應(yīng)性。因此不必添加可

17、燃毒物,有利于中子經(jīng)濟(jì)性。減少換料停堆時(shí)間,提高電站利用因子。規(guī)則床堆沒(méi)有連續(xù)換料特性,當(dāng)添加可燃毒物克服過(guò)剩反應(yīng)堆時(shí),它如同柱狀燃料堆,需要提高燃料初始富集度大約幾個(gè)百分點(diǎn)。當(dāng)高溫氣冷堆引入增殖材料釷時(shí),可以不添加可燃毒物,不僅反應(yīng)性波動(dòng)小,還能利用釷的增益延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間。而規(guī)則床堆燃料的分區(qū)特性及燃料球的靈活性,有可能利用低富集度鈾實(shí)現(xiàn)釷的利用,這是有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題。即使如柱狀燃料堆那樣,添加可燃毒物,富集度的提高對(duì)總經(jīng)濟(jì)性的影響與其他因素相比也很小。至于,不停堆換料對(duì)負(fù)荷因子的作用,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)則床堆提高單堆功率的影響?？傊?規(guī)則床模塊堆放棄連續(xù)換料,卻換來(lái)了上述諸多優(yōu)點(diǎn),獲得戰(zhàn)略上的巨

18、大進(jìn)步。規(guī)則床模塊堆表現(xiàn)出多方面優(yōu)越的設(shè)計(jì)性能,很多性能超越了現(xiàn)有球形燃料模塊堆和柱狀燃料模塊堆。實(shí)現(xiàn)燃料球堆芯從“無(wú)序”到“有序”的轉(zhuǎn)變,僅僅是球體排列方式的轉(zhuǎn)變,是一種簡(jiǎn)單的物理規(guī)律,很容易由不含核燃料的球體在一般實(shí)驗(yàn)室的模擬裝置中得到驗(yàn)證。一旦球形元件的裝卸和規(guī)則排列在模擬實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí),反應(yīng)堆的其他研究開(kāi)發(fā)工作,都是成熟的,沒(méi)有超出球形燃料堆和柱狀燃料堆的設(shè)計(jì)研究范圍。最好的模擬實(shí)驗(yàn)是利用實(shí)際尺寸的石墨球在模擬堆芯上進(jìn)行燃料裝卸和堆積實(shí)驗(yàn),它與高溫氣冷堆的實(shí)際情況十分接近。利用同一裝置還可研制專(zhuān)用的裝卸設(shè)備、工具和儀器,并且測(cè)量規(guī)則床性能和氣體流動(dòng)阻力等參數(shù)。另一項(xiàng)研究課題是有關(guān)燃料球屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)問(wèn)題,它雖然比壓水堆乏燃料組件的轉(zhuǎn)運(yùn)簡(jiǎn)單,但還需要研制出一套安全可靠的措施和設(shè)備,以滿足燃料球循環(huán)利用的要求。在這些實(shí)驗(yàn)和模塊式高溫氣冷堆設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)上,可以直接設(shè)計(jì)和建造規(guī)則床模塊式高溫氣冷示范堆。完成具有戰(zhàn)略意義的新一代核能應(yīng)用開(kāi)發(fā)的重要一步。結(jié)論球形燃料模塊式高溫氣冷堆堆芯的規(guī)則床設(shè)計(jì),對(duì)反應(yīng)堆的性能和應(yīng)用產(chǎn)生重大影響