can陸堆堆芯結(jié)構(gòu)的發(fā)展

can陸堆堆芯結(jié)構(gòu)的發(fā)展

1加拿大重水堆核級設(shè)備現(xiàn)狀在世界上，大多數(shù)核電站技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一個商業(yè)規(guī)模大、并且可以先后建設(shè)的項目，主要是壓力容量器的低壓輕水爐（pwr）和壓力管道的壓重水爐（kodu）。前者源于美國海軍投資開發(fā)的核潛艇動力堆,而后者是由加拿大原子能公司(AECL)原創(chuàng)開發(fā)成功的CANDU重水堆,也是本文要討論的內(nèi)容。中國大陸已建成并投入商業(yè)運行的共9臺核電機組中,秦山三期核電站采用兩臺CANDU6型機組(圖1),其余的是壓水堆。加拿大是世界上不僅成功地原創(chuàng)開發(fā)了一種有競爭力的商用堆型,而且使其在國內(nèi)和國際市場得到持續(xù)發(fā)展的為數(shù)很少的幾個國家之一。從二戰(zhàn)時美英加三國核能合作計劃開始,加拿大在1944年就建立了世界著名的喬克河國家實驗室,1945年建成美國之外的第一個核反應(yīng)堆,1947年建成當(dāng)時世界上功率最大和中子通量最高、以重水為慢化劑、天然鈾為燃料的大型重水研究堆。1952年,加拿大政府正式成立加拿大原子能公司(AECL:AtomicEnergyofCanadaLimited),致力于核反應(yīng)堆和相關(guān)技術(shù)的研發(fā)、設(shè)計和商業(yè)化推廣應(yīng)用。AECL早已發(fā)展成為一家世界領(lǐng)先的核技術(shù)與工程公司,為全球各地的電力業(yè)主提供CANDU核電站及相關(guān)技術(shù)服務(wù),包括項目承包、工程設(shè)計、建造管理、調(diào)試支持、特種設(shè)備、運行服務(wù)、核廢管理和電站退役等。在1962年CANDU原型堆和1967年第一臺商用規(guī)模的CANDU機組相繼建成投產(chǎn)之后,加拿大安大略省在1971～1993年間共建造了20臺功率在60萬kW與90萬kW兩種系列的CANDU機組,使核電比例迅速達(dá)到約50%。另外,有4臺70萬kW級的CANDU6機組在1980年代初建成,兩臺在加拿大國內(nèi),一臺在韓國,另一臺在阿根廷。近十多年來,CANDU技術(shù)在中國、韓國、羅馬尼亞、印度等核電新興國家得到迅速發(fā)展。印度已經(jīng)實現(xiàn)了重水堆技術(shù)的全面本土化,韓國在建成第三、四臺機組之后也快速實現(xiàn)了75%以上的國產(chǎn)化能力。截止2006年中,全球已建成45臺CANDU型機組(圖2),約占世界核電機組總數(shù)的10%,現(xiàn)有5臺CANDU型機組在建,占全球在建核電機組總數(shù)的約18%。還有不少國家,包括加拿大本國的電力業(yè)主,正在與AECL合作進(jìn)行項目可行性研究,計劃建設(shè)一批新的CANDU機組。AECL的CANDU機組產(chǎn)品目前主要有兩個系列:70萬kW級的第二代半成熟技術(shù)CANDU6,重水慢化,重水冷卻,可用天然鈾,已有十個機組建成投產(chǎn);120萬kW級的第三代半技術(shù)ACR-1000(圖1右),重水慢化,輕水冷卻,用稍加濃鈾或其它加濃核燃料,計劃2010年在北美開始建設(shè)。2cand堆芯如圖3所示,CANDU核電站的基本流程與通常的壓水堆(PWR)核電站完全一樣:有兩個主回路,一回路為反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng),主要由反應(yīng)堆堆芯、主泵、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器(圖中沒有顯示)等組成;二回路由蒸汽發(fā)生器、汽輪發(fā)電機組、冷凝器、給水泵等組成。核裂變反應(yīng)在堆芯中進(jìn)行,產(chǎn)生的能量主要釋放在核燃料棒內(nèi);經(jīng)主泵加壓的高壓冷卻劑從核燃料棒的表面快速地沖刷流過,同時不斷地把熱量帶走;高溫高壓冷卻水在蒸汽發(fā)生器的U型管內(nèi)快速流過時不斷地把熱量傳遞給管子外側(cè)的水,而水沸騰所產(chǎn)生的高溫高壓水蒸汽推動汽輪機,從而帶動發(fā)電機發(fā)電。與通常的壓水堆一樣,堆芯和一回路所有帶核的設(shè)備完全被包容在安全殼內(nèi),使其與二回路汽輪發(fā)電機系統(tǒng)以及環(huán)境隔離。所以,CANDU核電站實際上是一種廣義上的壓水堆核電站。它們不僅基本原理和系統(tǒng)流程一樣,常規(guī)島部分所采用的汽輪發(fā)電機等一系列設(shè)備和相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)基本上也是一樣的,而且除了反應(yīng)堆本體之外,核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)所用到的主要設(shè)備,如蒸汽發(fā)生器、冷卻劑循環(huán)泵、穩(wěn)壓器等也都是類似的。據(jù)估計,CANDU與普通壓水堆電站大約75%以上的設(shè)備基本上是相同的,對先進(jìn)CANDU反應(yīng)堆ACR-1000而言,這個比例會更高。兩種核電站技術(shù)是建立在相同的核電工程技術(shù)與核電產(chǎn)業(yè)裝備能力基礎(chǔ)之上,完全兼容,相互補充。CANDU與PWR核電站的主要差異在于堆芯結(jié)構(gòu)。PWR堆芯是單個龐大的高壓容器(圖4左),所有的燃料組件、控制棒組件、兼作慢化和冷卻用的高溫高壓水,以及其它堆內(nèi)構(gòu)件全部裝在里面,停堆后上封頭可以打開。而CANDU堆芯(圖3和圖4右),其承壓邊界是由幾百根直徑很小(約10cm)的水平壓力管燃料通道組成的,高溫高壓冷卻水在管內(nèi)流動;同時,每個壓力管燃料通道內(nèi)裝有12個簡單短小的燃料組件,在不停堆換料時,兩臺裝卸料機分別與選定通道的兩端相接(圖3),使得新燃料和乏燃料組件可以出入。這些燃料通道從一個臥式圓筒形的排管容器的兩端穿過,燃料通道外側(cè)和容器內(nèi)壁之空間則充滿低溫(約75℃)低壓的重水慢化劑,而整個排管容器置于充滿水的屏蔽箱體之內(nèi)?？傊?CANDU堆芯結(jié)構(gòu)可以歸納成5大基本特點:①模塊化堆芯,②重水慢化劑,③燃料簡單,④不停堆換料,⑤固有應(yīng)急熱阱。正是由于這些堆芯設(shè)計理念上的特點,決定這種堆型的巨大優(yōu)勢和發(fā)展靈活性。3兩種機組的性能對比CANDU堆芯結(jié)構(gòu)的基本特點帶來了下述一系列發(fā)展優(yōu)勢,使得這種反應(yīng)堆技術(shù)可以更好地適應(yīng)未來核電持續(xù)發(fā)展的需要。優(yōu)勢一、模塊化堆芯;制造簡單、可批量生產(chǎn)、可更換因為堆芯是由大量壓力管等模塊件組合而成,避開了龐大壓力容器相關(guān)的大型鍛件和壓力容器高難度制造技術(shù)及較高的成本投入,所以CANDU技術(shù)相對來說更容易快速實現(xiàn)全面本土自主化。印度是一個很好的例子,在從加拿大引進(jìn)兩臺機組的基礎(chǔ)上,全面實現(xiàn)了國產(chǎn)化,截止2005年底印度已經(jīng)建成投產(chǎn)14臺CANDU型機組,4臺在建。對于已經(jīng)擁有一定PWR基礎(chǔ)的國家,CANDU技術(shù)的國產(chǎn)化會更加迅速、成本更低。韓國是一個典型的例子,在建設(shè)第三、四臺機組時就實現(xiàn)了設(shè)計自主化和75%以上的設(shè)備國產(chǎn)化能力,并且很快就開始參與國外同類機組項目分包,包括供應(yīng)設(shè)備和技術(shù)服務(wù)。相反,對壓水堆而言,壓力容器相關(guān)技術(shù)常常成為進(jìn)一步提升自主化能力的一個重要制約因素。CANDU模塊化堆芯的零部件可以大批量生產(chǎn),不象壓水堆的壓力容器會受到大型鍛件生產(chǎn)周期長、供應(yīng)短缺、高難度制造技術(shù)等問題的影響。模塊化堆芯可以通過更換,來大幅度延長反應(yīng)堆的壽命。先期投入運行的CANDU6機組的業(yè)主正在積極準(zhǔn)備將其壽期延長到六十年,而新設(shè)計的機組壽命則是六十年甚至可以更長。相反,對壓水堆而言,要確保壓力殼的六十年壽期,仍然有待實踐檢驗。優(yōu)勢二、燃料設(shè)計簡單:經(jīng)濟(jì)性好、易于實現(xiàn)本土化、易于儲存處理CANDU燃料棒束組件外形短小(長約50cm,外徑10cm),結(jié)構(gòu)簡單,采用UO2陶瓷燃料芯塊和鋯合金包殼(圖5左)。相比之下,壓水堆的燃料組件很長(大約4m,邊長0.2m),結(jié)構(gòu)也復(fù)雜(圖5右)。簡單短小的CANDU燃料組件設(shè)計,意味著燃料制造廠家投資小,燃料生產(chǎn)成本低,業(yè)主的燃料采購成本和相關(guān)運行管理費用也隨之下降。所有引進(jìn)CANDU機組的國家,建成第一個機組后,很快都實現(xiàn)了燃料組件制造的國產(chǎn)化。中國包頭核燃料廠也早已建成投產(chǎn),為秦山三期供應(yīng)燃料組件。由于燃料組件簡單短小,CANDU乏燃料的操作、運輸、儲存和處理都相對簡單。AECL已經(jīng)開發(fā)出整套成熟、經(jīng)濟(jì)的乏燃料干法儲存技術(shù)(圖6),并且得到廣泛應(yīng)用,初步解決了乏燃料儲存問題。優(yōu)勢三、重水慢化劑:高中子經(jīng)濟(jì)性和燃料循環(huán)靈活性CANDU堆著名的突出優(yōu)點是它的高中子經(jīng)濟(jì)性。其中最主要的原因是采用了重水作慢化劑,重水對快中子的慢化能力較強,而它對中子的吸收卻極少(還不到輕水的六百五十分之一)。另外,不停堆換料、簡單的燃料組件設(shè)計和堆芯中含有較少對中子有害的結(jié)構(gòu)材料等因素,也顯著減少了中子的損失。由于中子經(jīng)濟(jì)性好,所以CANDU堆能夠“燒”各種難“燒”的核燃料,包括天然鈾、輕水堆乏燃料、鈾钚混合燃料和釷基燃料等,而且核燃料的利用率很高。比如,CANDU6采用天然鈾燃料,生產(chǎn)單位電能所需要的天然鈾比通常的壓水堆少30%;加上燃料組件設(shè)計簡單,制造成本低,生產(chǎn)每度電的燃料循環(huán)費用大約比PWR少一半以上;還可以避免投入巨資建造鈾濃縮工廠或從國外進(jìn)口濃縮鈾。相反,壓水堆用的是輕水慢化劑,大量的中子被吸收掉,所以不能用天然鈾作燃料,只能用加濃鈾,核燃料的利用率也低。由于優(yōu)越的中子經(jīng)濟(jì)性、不停堆換料和簡單的燃料組件設(shè)計這些優(yōu)點,CANDU反應(yīng)堆是現(xiàn)有商用堆中能夠提供充分的燃料循環(huán)靈活性,也即不需要對系統(tǒng)作大的改動就可以使用多種不同的核燃料。所以,掌握一種堆型技術(shù),可以滿足和適應(yīng)未來長遠(yuǎn)的需要。特別是當(dāng)天然鈾價格飆升時或資源短缺時,CANDU堆可以改用不同類型的核燃料。這對像中國這樣鈾資源不足的國家,具有重大的戰(zhàn)略意義;實際上很多核電大國都有過重水堆發(fā)展計劃,但由于各種原因沒有能堅持到底,使其得不到大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。印度是個例外,重水堆和釷燃料的大規(guī)模利用是印度核電發(fā)展戰(zhàn)略的核心。優(yōu)勢四、不停堆換料:容量因子高,大修安排靈活,燃料管理方便由于燃料組件簡單短小,又加上反應(yīng)堆堆芯是水平管道式的,這使不停堆雙向裝卸燃料成為可能。不停堆換料帶來的好處是多方面的:①有助于提高電站的容量因子;②大修計劃的安排相對靈活,而壓水堆等換料時就必須強制停堆;③CANDU創(chuàng)造和保持著連續(xù)運行894天的世界記錄,現(xiàn)有一些CANDU機組已經(jīng)在向36個月大修周期的先進(jìn)目標(biāo)邁進(jìn),而先進(jìn)CANDU堆ACR-1000就是按照這樣的設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行;④強有力和靈活的燃料管理手段,使過剩反應(yīng)性最小化,提高核燃料的利用效率,能及時把破損的燃料組件從堆內(nèi)取出,也便于應(yīng)用先進(jìn)燃料循環(huán)。優(yōu)勢五、固有安全性高:低壓低溫的慢化劑環(huán)境;慢化劑和屏蔽水多重應(yīng)急冷卻能力;兩套快速停堆系統(tǒng)CANDU有兩套獨立的快速停堆系統(tǒng)。由于工作環(huán)境是低壓低溫的慢化劑,控制棒靠重力和彈簧加速下落,液體中子毒物注入靠壓縮氣體膨脹力,這種依靠自然力動作的快速停堆系統(tǒng)高度安全可靠。相反,壓水堆等要考慮高壓水力彈棒等一類事故。不停堆換料使得后備反應(yīng)性維持在最低的水平,控制裝置反應(yīng)性總價值小,另一方面瞬發(fā)中子壽命長,反應(yīng)性能引發(fā)的瞬態(tài)幅度很有限,加上CANDU有兩套快速反應(yīng)和非能動停堆系統(tǒng),因而從根本上提高了固有安全性。堆芯中的承壓邊界是由分散到了幾百個小直徑的壓力管組成,每個壓力管象保險絲一樣,個別壓力管失效不可能導(dǎo)致象壓力容器式反應(yīng)堆要考慮的壓力邊界整體喪失的一類極端嚴(yán)重事故。因而CANDU堆事實上可以排除壓水堆等必須考慮的發(fā)生高壓熔融噴射而危及安全殼屏障的這樣嚴(yán)重事故情況。由于堆芯結(jié)構(gòu)的特殊性,在大破口失水事故同時堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng)失效這種雙重事故疊加的情況下,慢化劑仍然可以起應(yīng)急熱阱的作用,保持燃料通道的完整性。除了慢化劑之外,整個排管容器外側(cè)表面浸泡在大容量的屏蔽水體之中,即使發(fā)生了極不可能的大破口失水事故,同時加上堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng)失效,再加上讓慢化劑任其燒干這樣三重事故疊加的假想情況,堆芯可能會嚴(yán)重變形,一些燃料通道會逐漸熔化坍塌到排管容器底部,但體積很大的屏蔽水還可以吸收熱量,保證容器的包容能力。因此,排管容器起一種固有“堆芯捕集器”的作用,可避免影響到下一道屏障,即安全殼。優(yōu)勢六、成熟數(shù)字化控制CANDU核電站是世界上最早實現(xiàn)和應(yīng)用數(shù)字化計算機控制和運行的商用堆。1971年投入運行的第一個大型商用CANDU機組(PickeringA)就大規(guī)模采用了數(shù)字化計算機直接控制,而現(xiàn)代的CANDU6機組(如秦山三期機組)的數(shù)字化控制已經(jīng)達(dá)到了一個很高的水平,全面應(yīng)用到了反應(yīng)堆功率控制,熱傳輸系統(tǒng)控制,蒸汽發(fā)生器二次側(cè)控制,汽輪機控制,裝卸料機不停堆換料控制,報警、顯示和其它信息處理等各方面。有兩臺計算機同時運行,每一臺都能完全獨立進(jìn)行全廠控制,當(dāng)一臺萬一出現(xiàn)故障則自動切換到另一臺;如果兩臺計算機同時出現(xiàn)故障,則自動停堆。只有在較小的局部回路上采用了常規(guī)的模擬控制儀表,但同時為所有安全相關(guān)系統(tǒng)設(shè)置了常規(guī)顯示和報警信號儀表,以便在兩臺計算機都發(fā)生故障并自動停堆后,可以對全廠安全進(jìn)行監(jiān)控。在30多年CANDU數(shù)字化控制的實踐應(yīng)用和豐富經(jīng)驗基礎(chǔ)之上,AECL已經(jīng)開發(fā)出智能化的運行支持系統(tǒng),已經(jīng)在部分運行的核電站中得到應(yīng)用,并將在ACR-1000設(shè)計中得到全面應(yīng)用。優(yōu)勢七、大量生產(chǎn)同位素由于特殊的堆芯結(jié)構(gòu)和反應(yīng)堆物理特點,CANDU堆在發(fā)電的同時還可以利用調(diào)節(jié)棒裝載靶件大量生產(chǎn)鈷-60等放射性同位素,而不會對電力生產(chǎn)有影響。鈷-60在醫(yī)療用品消毒、食品保鮮和儲存、材料改性等方面有著廣泛的用途,是輻照高新技術(shù)不可缺少的原料。全世界的90%鈷-60來源于CANDU反應(yīng)堆。優(yōu)勢八、建造快、造價有競爭力AECL保持著優(yōu)異的按時按預(yù)算建設(shè)CANDU電站的紀(jì)錄。以中國首座CANDU核電站項目為例,秦山三期建設(shè)了兩臺70萬kW級的CANDU6型機組。1號機組于2002年12月31日投入商業(yè)運行,比原計劃提前43天,從第一罐混凝土到商業(yè)運行只用了54個月,創(chuàng)造了中國核電建設(shè)最短工期記錄(圖7);2號機組于2003年7月24日投入商業(yè)運行,比原計劃提前了112天。兩臺機組不但提前建成投產(chǎn),節(jié)省預(yù)算10.6%,而且工程質(zhì)量達(dá)到了國際高標(biāo)準(zhǔn),秦山三期項目取得巨大成功。如中國翻版自主建設(shè)本土化的CANDU6技術(shù),必將在工期和造價等方面取得進(jìn)一步改進(jìn)。優(yōu)勢九、運行性能好、容量因子高由于不停堆換料、在線維護(hù)能力強等特點,CANDU機組以長期連續(xù)運行、容量因子高而著稱。目前秦山三期兩臺CANDU6機組運行出色,壽期容量因子也是中國所有運行核電機組中最高的(圖8)。秦山三期項目的成功又一次證明了CANDU6這種機組的突出優(yōu)點.CANDU6自從1983年第一臺機組投入運行以來,全球已有10臺機組投入,運行業(yè)績普遍很好(圖9)。2004年底的平均壽期容量因子高達(dá)87.7%,其中還有三個機組進(jìn)入全球十佳行列,其容量因子年平均值也明顯高于其它堆型。4acr-100的集成優(yōu)化應(yīng)用由于其獨特的模塊式燃料通道堆芯結(jié)構(gòu)特點,AECL在CANDU6等成熟機組技術(shù)的基礎(chǔ)上,開發(fā)了融合輕水堆和重水堆優(yōu)點的第三代半的漸進(jìn)革新型設(shè)計ACR-1000,即功率為120萬kW級的先進(jìn)CANDU反應(yīng)堆。通過保留CANDU堆型的優(yōu)勢特點,同時引入一系列經(jīng)過驗證可行的設(shè)計革新和成熟技術(shù)的集成優(yōu)化應(yīng)用,ACR-1000達(dá)到更高的安全性標(biāo)準(zhǔn)和更高的運行性能,而且建造更快,造價更低,運行更為經(jīng)濟(jì)。限于篇幅,本文不進(jìn)行詳細(xì)介紹。以ACR-1000為基礎(chǔ),AECL在研發(fā)更先進(jìn)的第四代壓力管式超臨界水冷堆(SCWR)(圖10)。作為ACR-1000設(shè)計的自然延伸,CANDU超臨界水堆將采用超臨界水為冷卻劑,保留重水為