nhr-200一體化核供熱堆技術(shù)特征及安全特性

nhr-200一體化核供熱堆技術(shù)特征及安全特性

低溫核熱堆是由清政府獨(dú)立開發(fā)的，具有良好的固有和安全，是先進(jìn)的殼式輕水層。一體化核供熱堆Ⅰ型(NHR-Ⅰ)的目標(biāo)是為國內(nèi)區(qū)域集中供熱提供熱源。國內(nèi)集中供熱熱網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)是120/70℃,因此,200MW一體化核供熱堆(NHR-200)的設(shè)計目標(biāo)是在三回路提供120/70℃熱水,以滿足供熱的需求。隨著國內(nèi)供熱范圍的擴(kuò)大、環(huán)境保護(hù)要求的提高、供熱體制改革,為一體化核供熱堆提出了新的要求。同時,我國水資源短缺已成為制約社會進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸,以核供熱堆為熱源進(jìn)行海水淡化是集能源、環(huán)境和水資源為一體的綜合應(yīng)用,是解決沿海城市資源性缺水的途徑之一。根據(jù)市場的發(fā)展和需求,有必要開發(fā)第二代一體化核供熱堆(NHR-Ⅱ)。因此,在NHR-200的基礎(chǔ)上,清華大學(xué)擬開發(fā)200MW一體化核供熱堆Ⅱ型(NHR/Ⅱ-200)。1固有安全特性200MW一體化核供熱堆采用一體化、全功率自然循環(huán)、自穩(wěn)壓、內(nèi)置式控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)、非能動安全系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù),使這種反應(yīng)堆不僅具有優(yōu)異的固有安全特性,且系統(tǒng)簡化、易建造、運(yùn)行維護(hù)方便。其固有安全特性使NHR-200可建造在城市附近。NHR/Ⅱ-200保持了NHR-200的主要技術(shù)特征和安全特性。1.1nrt/-200的主要設(shè)計參數(shù)NHR/Ⅱ-200的反應(yīng)堆及其一回路系統(tǒng),包括主換熱器,一體化布置在反應(yīng)堆壓力殼中。堆芯位于壓力殼的底部中心,主換熱器布置在上升通道和壓力殼間的環(huán)形空間,主回路沒有循環(huán)泵,冷卻劑依靠壓力殼內(nèi)熱區(qū)和冷區(qū)的密度差形成自然循環(huán),上升通道是為了提高一回路的自然循環(huán)能力。系統(tǒng)壓力由上部的氣-汽空間維持,水蒸氣分壓和氮?dú)夥謮汗餐瑯?gòu)成主回路系統(tǒng)的運(yùn)行壓力。NHR/Ⅱ-200采用三重回路的輸熱系統(tǒng)設(shè)計,以保證新蒸汽不被放射性物質(zhì)污染。反應(yīng)堆堆芯產(chǎn)生的熱量首先通過自然循環(huán)輸送到主換熱器,主換熱器將熱量傳給中間回路介質(zhì)。然后通過中間回路的強(qiáng)迫循環(huán),將熱量從主換熱器二次側(cè)輸送到蒸汽發(fā)生器一次側(cè),再通過蒸汽發(fā)生器傳給二次側(cè),產(chǎn)生蒸汽供給海水淡化工藝系統(tǒng)或作為工業(yè)蒸汽。反應(yīng)堆一回路的壓力為7.0MPa,中間回路為7.8MPa,新蒸汽為1.6MPa的飽和蒸汽。中間回路的設(shè)置不僅在物理空間上實現(xiàn)一回路放射性水與新蒸汽的隔離,且在發(fā)生泄漏的情況下依靠低-高-低的壓力設(shè)計原則,保證新蒸汽不被放射性物質(zhì)污染。NHR/Ⅱ-200的主要設(shè)計參數(shù)列于表1。此外,NHR/Ⅱ-200還設(shè)有為數(shù)不多的安全相關(guān)系統(tǒng)和輔助工藝系統(tǒng),如余熱排出系統(tǒng)、注硼系統(tǒng)、控制棒水力驅(qū)動系統(tǒng)、反應(yīng)堆冷卻劑處理系統(tǒng)、安全泄放系統(tǒng)和設(shè)備冷卻水系統(tǒng)等。1.2rh-200安全特性1.2.1重力注硼系統(tǒng)核供熱堆設(shè)計有兩套獨(dú)立的、工作原理不同的系統(tǒng),即控制棒系統(tǒng)和注硼系統(tǒng)用以停閉反應(yīng)堆?？刂瓢舨捎盟︱?qū)動,驅(qū)動方式按“失效安全”原則設(shè)計?？刂瓢舨迦攵研緦崿F(xiàn)停堆是靠自身重力來驅(qū)動的,體現(xiàn)了被動安全特性。注硼系統(tǒng)作為備用的停堆手段,采用重力注硼方式,無需轉(zhuǎn)動機(jī)械和動力電源,具有很高的可靠性。這兩套被動安全的停堆系統(tǒng)均能在需要時自動地、長期地維持反應(yīng)堆處于冷態(tài)次臨界狀態(tài)。因此,停堆系統(tǒng)具有高度可靠的固有安全性。1.2.2堆芯以下部位穿管核供熱堆主回路采用一體化布置方案,整個主回路均布置在1個壓力殼內(nèi),且壓力殼堆芯以下部位穿管,所有的主回路水的引出管全部集中在壓力殼的上部,且口徑很小,避免了反應(yīng)堆大量失水的事故。事故分析表明,在設(shè)計基準(zhǔn)事故和超設(shè)計基準(zhǔn)事故工況下,核供熱堆均能保證堆芯淹沒在水中,不會發(fā)生堆芯裸露,保證堆芯有良好的冷卻。1.2.3空氣冷卻器的制備核供熱堆的余熱排出系統(tǒng)由三重自然回路組成。主回路通過自然循環(huán)將堆芯產(chǎn)生的余熱輸送到主換熱器,并傳至主換熱器二次側(cè),然后通過自然循環(huán)將傳來的熱量輸送到空氣冷卻器,由空氣冷卻器通過自然對流將熱量散入大氣。余熱排出系統(tǒng)的整個傳熱體系均不需外加動力源,也無轉(zhuǎn)動部件,只要堆芯在繼續(xù)發(fā)熱,便可被動安全地、長期可靠地將余熱排出,以保證反應(yīng)堆的安全。1.2.4放射源的有效隔離核供熱堆采用縱深設(shè)防,采取設(shè)置多層實體屏障及壓力屏障等措施防止放射性物質(zhì)外泄。2nhr200的應(yīng)用前景2.1海水處理技術(shù)和市場需求1蒸發(fā)器的采用帶有熱壓縮的低溫多效蒸發(fā)(MED-TVC)工藝的技術(shù)特點(diǎn)是能夠利用蒸汽的壓力能。熱壓縮器(TVC)可利用新蒸汽將壓力較低的乏蒸汽增壓到較高壓力,使蒸汽的能量得到有效利用。采用NHR/Ⅱ-200與MED-TVC相配套,蒸發(fā)器全部采用帶有熱壓縮的多效蒸餾,以MED-TVC方式運(yùn)行。與NHR-200相比,在保持造水比GOR不變的條件下,可大幅降低海水淡化設(shè)備的投資費(fèi)用,進(jìn)而降低產(chǎn)水成本。MED海水淡化所產(chǎn)淡化水的總固體含量(TDS)小于20mg/kg,產(chǎn)水品質(zhì)高。2反滲透海水淡化系統(tǒng)的能量回收在海水反滲透淡化系統(tǒng)中,動力成本占產(chǎn)水總成本的比例很大,其中主要用于大功率的海水高壓泵。當(dāng)核反應(yīng)堆與反滲透海水淡化工藝系統(tǒng)相耦合時,核供熱堆產(chǎn)生的壓力為1.6MPa的飽和蒸汽能夠推動汽輪機(jī),或發(fā)電,或直接拖動反滲透海水淡化系統(tǒng)的高壓泵。汽輪機(jī)的乏蒸汽在凝汽器中冷凝成為凝結(jié)水,經(jīng)加熱和除氧后重新返回蒸汽發(fā)生器。凝汽器的冷卻海水是經(jīng)過預(yù)處理的海水,經(jīng)凝汽器加熱后,海水溫度上升,升溫后的海水作為給水進(jìn)入反滲透海水淡化系統(tǒng)。因反滲透海水淡化系統(tǒng)的給水溫度每升高1℃,系統(tǒng)的產(chǎn)水量將提高約2%~3%,因而利用汽輪機(jī)乏蒸汽的熱量預(yù)熱反滲透海水淡化系統(tǒng)的給水,有利于提高海水淡化產(chǎn)水量。由此可見,本方案充分利用了核反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量,從而大幅提高了整個核能海水淡化系統(tǒng)的能量利用率。反滲透工藝所產(chǎn)淡化水TDS小于500mg/kg,適于飲用或一般工業(yè)用。3海水淡化技術(shù)我國沿海地區(qū)的水資源短缺已成為制約社會進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸,同時也面臨著可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能減排方面的巨大壓力?！逗Ｋ脤ｍ椧?guī)劃》中已將核供熱堆核能海水淡化項目列為重點(diǎn)項目,且將核能海水淡化的技術(shù)研究列為重點(diǎn)研究技術(shù)。海水淡化水水質(zhì)好,供水穩(wěn)定。隨著技術(shù)的進(jìn)步,海水淡化成本將逐步下降,其經(jīng)濟(jì)性將逐步提高。根據(jù)規(guī)劃,2020年我國海水淡化能力將達(dá)250~300萬m3/d,市場投入將達(dá)120億元,發(fā)展空間巨大。2.2單位面積運(yùn)行效率及單位數(shù)量我國工業(yè)鍋爐主要用于工廠動力、建筑采暖等領(lǐng)域,每年耗原煤約4億t。燃煤工業(yè)鍋爐效率低,污染重,節(jié)能潛力巨大。鍋爐設(shè)計效率為72%~80%,平均運(yùn)行效率約60%~65%;每年排放煙塵約200萬t,二氧化硫約600萬t,是僅次于火電廠的第二大煤煙型污染源。在我國推進(jìn)燃煤鍋爐節(jié)能改造和環(huán)保改造的同時,利用核供熱堆生產(chǎn)工業(yè)蒸汽代替部分工業(yè)鍋爐,則可有效減少城市污染物的排放量,優(yōu)化城市能源結(jié)構(gòu)。根據(jù)工業(yè)蒸汽的市場需求,建設(shè)200MW的工業(yè)用核能供熱廠的市場容量巨大。2.3用戶需求變化時的堆場利用在一天24h中,工業(yè)蒸汽的用量是分時段規(guī)律變化的,而淡化水的需求量也有高峰和低谷。若核供熱堆單純用于海水淡化或工業(yè)蒸汽,均可能由于用戶需求的變化而降低核供熱堆的利用率。汽水聯(lián)供即為將核供熱堆產(chǎn)生的蒸汽,一部分用于海水淡化,一部分用于工業(yè)蒸汽。根據(jù)用戶需要進(jìn)行比例分配,并有機(jī)地結(jié)合。實行汽水聯(lián)供,