高溫氣冷堆核電站的應(yīng)用與發(fā)展

高溫氣冷堆核電站的應(yīng)用與發(fā)展

模塊式高冷堆是一種安全、可用于高效能源和高性能加熱的先進(jìn)堆放。這是國(guó)際能源系統(tǒng)的首選堆棧之一。我國(guó)通過(guò)20年的自主研究與發(fā)展,于2000年建成了世界上第一個(gè)模塊式球床高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆HTR-10,具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),使我國(guó)在高溫氣冷堆的技術(shù)領(lǐng)域處于國(guó)際先進(jìn)水平。為加快研究成果轉(zhuǎn)化,形成自主品牌,帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展,中國(guó)華能集團(tuán)公司、中國(guó)核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)公司、清華大學(xué)組成了以企業(yè)為主體,產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì),著手開(kāi)發(fā)建設(shè)具有商用規(guī)模的模塊式高溫氣冷堆核電站。2008年2月,三方共同投資建設(shè)的華能山東石島灣20萬(wàn)kW級(jí)高溫氣冷堆核電站示范工程正式啟動(dòng)。該工程總投資約32億元,建成后設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率將達(dá)到80%以上。按照初步規(guī)劃,示范工程獲得成功后,將開(kāi)展商業(yè)化推廣工作。屆時(shí)高溫氣冷堆將發(fā)揮其巨大潛力,成為我國(guó)乃至世界核電發(fā)展的一個(gè)重要補(bǔ)充?，F(xiàn)將高溫氣冷堆的主要技術(shù)特征、國(guó)內(nèi)外高溫氣冷堆技術(shù)的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及我國(guó)示范項(xiàng)目開(kāi)發(fā)建設(shè)的進(jìn)展情況作一簡(jiǎn)要介紹。1高溫氣冷堆發(fā)電與其他核能發(fā)電技術(shù)相比,高溫氣冷堆技術(shù)具備如下特點(diǎn):具有固有安全性。球床式高溫氣冷堆獨(dú)具的負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)和很大的溫升裕度,保證了這種堆型能夠在任何事故情況下實(shí)現(xiàn)安全停堆;停堆后的余熱可以依靠自然對(duì)流、熱傳導(dǎo)和熱輻射等自然機(jī)理非能動(dòng)地傳輸?shù)蕉淹?保證堆芯最高溫度限制在其允許溫度以下;耐高溫的石墨堆芯結(jié)構(gòu)和全陶瓷型的燃料元件避免了在嚴(yán)重事故情況下被熔毀的危險(xiǎn)。與壓水堆相比,高溫氣冷堆的安全裕度大大提高,因此被稱為“傻瓜堆”。具有較高的發(fā)電效率。反應(yīng)堆氦氣出口溫度高達(dá)700~900℃,如果采用傳統(tǒng)的蒸汽循環(huán)發(fā)電方式,發(fā)電效率可達(dá)40%;如果采用先進(jìn)的氦氣循環(huán)發(fā)電方式,發(fā)電效率可達(dá)45%以上(壓水堆一般為33%~35%)。能夠提供高溫工藝熱。高溫氣冷堆能提供高溫工藝熱和540℃以下的各種工藝蒸汽,是現(xiàn)有各類反應(yīng)堆中工作溫度最高的堆型,是唯一能提供高溫核工藝熱的能源技術(shù)。因此,它除了能發(fā)電外,還可以進(jìn)入石油化工、煤氣化、制氫生產(chǎn)等各種熱能市場(chǎng)。2高溫氣冷堆與400mw的關(guān)系目前,高溫氣冷堆技術(shù)的發(fā)展受到了廣泛關(guān)注,國(guó)際上已把高溫氣冷堆作為第四代核能系統(tǒng)的6種首選堆型之一(其他5種堆型為超臨界輕水堆、鈉冷快中子堆、氣冷快中子堆、鉛冷快中子堆、熔鹽堆)。世界上主要的有核國(guó)家都在積極研究發(fā)展高溫氣冷堆技術(shù),并準(zhǔn)備用于發(fā)電與制氫。美國(guó)能源部已決定,在愛(ài)達(dá)荷國(guó)立實(shí)驗(yàn)室建設(shè)一座熱功率400~600MW的雙用途高溫氣冷堆。法國(guó)也在積極組織開(kāi)展高溫氣冷堆技術(shù)研究。日本已經(jīng)建成了一座高溫工程試驗(yàn)研究堆,用于研究高溫氣冷堆技術(shù)和高溫制氫技術(shù)。俄羅斯也與美國(guó)共同進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用高溫氣冷堆燒钚(Pu)的研究。南非與我國(guó)同期開(kāi)展了建設(shè)高溫氣冷堆電站的前期工作。目前,南非政府正在加大投入,促進(jìn)項(xiàng)目盡早開(kāi)工建設(shè)。除此之外,韓國(guó)政府也已經(jīng)決定在2015年前,開(kāi)始建設(shè)高溫氣冷堆。在我國(guó),由清華大學(xué)自主設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行的10MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆,已于2003年1月實(shí)現(xiàn)滿功率運(yùn)行并網(wǎng)發(fā)電。為了驗(yàn)證高溫氣冷堆的固有安全性,2004年9月底,由國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)主持,清華大學(xué)核研院向中外媒體展示了在不停堆情況下氦風(fēng)機(jī)停機(jī)從而喪失冷卻能力時(shí)的核安全實(shí)驗(yàn)演示。實(shí)驗(yàn)展示了模塊式高溫氣冷堆一個(gè)最重要的特征,即在嚴(yán)重事故下,包括喪失所有冷卻能力的情況下,不采取任何人為的干預(yù),反應(yīng)堆能保持安全停堆,這是核電發(fā)展的重大突破,這也表明了高溫氣冷堆具有的良好的安全特性。高溫氣冷堆技術(shù)的發(fā)展,預(yù)示著核能的利用向著更加安全、經(jīng)濟(jì)和多重領(lǐng)域發(fā)展邁出了重要一步。3中國(guó)冷杉營(yíng)銷示范工程的建設(shè)3.1產(chǎn)業(yè)合作格局的建立中國(guó)華能集團(tuán)公司堅(jiān)持“三色公司”理念,發(fā)揚(yáng)“敢為人先、敢為人所不能”的企業(yè)精神,承擔(dān)了眾多國(guó)家重大電力科技項(xiàng)目的研發(fā)任務(wù),并將取得的技術(shù)成果應(yīng)用于工程實(shí)踐,創(chuàng)造了若干個(gè)我國(guó)電力行業(yè)的“第一”。近幾年華能又瞄準(zhǔn)新能源和可再生能源領(lǐng)域的前沿技術(shù),經(jīng)過(guò)認(rèn)真研究,決定與中國(guó)核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)公司、清華大學(xué)等兄弟單位和院校攜手,共同投資和推動(dòng)高溫氣冷堆核電站商業(yè)化項(xiàng)目,盡快將我國(guó)“863計(jì)劃”支持下取得的這一具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重大高新技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力,以核電技術(shù)的局部躍升帶動(dòng)我國(guó)電力工業(yè)生產(chǎn)力的跨越式發(fā)展,填補(bǔ)國(guó)家戰(zhàn)略空白。2004年3月,中國(guó)華能集團(tuán)公司、中國(guó)核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)公司、清華大學(xué)三方簽署合作建設(shè)高溫氣冷堆核電示范工程的意向書(shū),并成立了示范工程領(lǐng)導(dǎo)小組,開(kāi)展工程前期工作。高溫氣冷堆示范項(xiàng)目采用了“以企業(yè)為主體的產(chǎn)學(xué)研合作”的創(chuàng)新模式,體現(xiàn)了我國(guó)科技發(fā)展的“自主創(chuàng)新、重點(diǎn)跨越、支撐發(fā)展、引領(lǐng)未來(lái)”十六字方針,因此得到了國(guó)家有關(guān)部門(mén)的高度重視和大力支持。2004年8月,項(xiàng)目前期工作獲原則同意,并按高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目給予必要支持。國(guó)防科工委、國(guó)家科技部也給予大力支持,將示范項(xiàng)目列入“十一五”規(guī)劃。2006年,高溫氣冷堆示范工程在《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中被列為重大專項(xiàng);2007年,示范項(xiàng)目被列入國(guó)家《能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》。2006年12月25日,中國(guó)華能集團(tuán)公司、中國(guó)核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)公司、清華大學(xué)三方共同簽訂華能山東石島灣核電有限公司股東出資協(xié)議書(shū)和章程。根據(jù)協(xié)議,中國(guó)華能集團(tuán)公司、中國(guó)核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)公司、清華大學(xué)分別出資,成立華能山東石島灣核電有限公司,負(fù)責(zé)投資、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)華能山東石島灣20萬(wàn)kW級(jí)高溫氣冷堆核電站示范工程。這標(biāo)志著高溫氣冷堆示范項(xiàng)目取得重大實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。2008年2月,國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議審查通過(guò)了《高溫氣冷堆核電站重大專項(xiàng)實(shí)施方案》,標(biāo)志著示范工程建設(shè)進(jìn)入啟動(dòng)和實(shí)施階段。3.2經(jīng)營(yíng)高效低碳經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式工程的總體建設(shè)目標(biāo)為:在2013年建成一座具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的20萬(wàn)kW級(jí)模塊式高溫氣冷堆商業(yè)化示范核電站。示范工程采用球床模塊式高溫氣冷堆,由兩個(gè)反應(yīng)堆模塊通過(guò)兩臺(tái)蒸汽發(fā)生器帶一臺(tái)超高壓非再熱汽輪發(fā)電機(jī)組,單堆熱功率為250MW,電站發(fā)電功率為200MW,發(fā)電效率可達(dá)到40%左右,機(jī)組可利用率不低于80%,反應(yīng)堆出口氦氣溫度為750℃。電廠設(shè)計(jì)壽命為40年,所采用的球形燃料元件總數(shù)約為84萬(wàn)個(gè),采用不停堆換料模式。為降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn),充分發(fā)揮經(jīng)濟(jì)性,并對(duì)今后高溫氣冷堆核電站發(fā)展起到示范作用,示范工程盡量采用成熟技術(shù)或經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù),常規(guī)島部分與火電廠基本相同,核電設(shè)備實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)和建造。設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率爭(zhēng)取達(dá)到80%以上。在核安全方面,該工程具有高溫氣冷堆的固有安全性,就是即使發(fā)生失冷失壓的嚴(yán)重事故,也不需借助應(yīng)急冷卻系統(tǒng),燃料元件保持完整性,不會(huì)發(fā)生堆芯熔化和放射性大量釋放的嚴(yán)重后果。示范工程的建設(shè)進(jìn)度目標(biāo)如下:示范工程建設(shè)周期共50個(gè)月,其中土建工程14個(gè)月,安裝工程20個(gè)月,調(diào)試16個(gè)月,計(jì)劃在2009年9月開(kāi)工建設(shè),2013年11月建成投產(chǎn)。3.3國(guó)家核化管理體制和環(huán)境專家委員會(huì)審議情況目前,示范工程各項(xiàng)前期準(zhǔn)備工作總體進(jìn)展順利。工程可行性研究報(bào)告已通過(guò)審查;工程選址階段的《環(huán)境影響報(bào)告書(shū)》和《廠址安全分析報(bào)告》已通過(guò)國(guó)家環(huán)保部(國(guó)家核安全局)核安全與環(huán)境專家委員會(huì)的評(píng)審;初步設(shè)計(jì)文件編制工作進(jìn)展順利;長(zhǎng)周期主設(shè)備采購(gòu)招標(biāo)工作按計(jì)劃已在2007年底啟動(dòng),其中反應(yīng)堆壓力容器和汽輪機(jī)設(shè)備招標(biāo)已于2008年月底完成,其他主設(shè)備采購(gòu)也將于2008年內(nèi)完成。為實(shí)現(xiàn)2009年9月開(kāi)工建設(shè)的目標(biāo),現(xiàn)場(chǎng)施工準(zhǔn)備工作已全面展開(kāi),計(jì)劃年內(nèi)完成“五通一平”施工,并完成核島負(fù)挖施工工作。(1)開(kāi)發(fā)和推廣新一代改我國(guó)未來(lái)20年的國(guó)家能源戰(zhàn)略,強(qiáng)調(diào)能源、環(huán)境和社會(huì)的協(xié)調(diào)發(fā)展,推行“節(jié)能優(yōu)先、結(jié)構(gòu)多元、環(huán)境友好”的可持續(xù)能源發(fā)展戰(zhàn)略,并確定了“積極發(fā)展核電”的方針,這給我國(guó)核電發(fā)展帶來(lái)了重大機(jī)遇。在這一難得的歷史機(jī)遇期,開(kāi)發(fā)和推廣新一代核電技術(shù),無(wú)疑將形成對(duì)國(guó)家能源安全、可持續(xù)能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要技術(shù)支持。高溫氣冷堆是新一代核能技術(shù)的發(fā)展方向之一,而我國(guó)在這一領(lǐng)域取得的技術(shù)成果已居于世界先進(jìn)行列,因此高溫氣冷堆技術(shù)的進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化,將對(duì)我國(guó)核行業(yè)的發(fā)展做出越來(lái)越大的貢獻(xiàn)。(2)我國(guó)先進(jìn)堆堆場(chǎng)的發(fā)展能力建設(shè)從實(shí)驗(yàn)堆到商業(yè)堆,從科技成果到大范圍商業(yè)推廣,示范工程是不可或缺的重要環(huán)節(jié)。高溫氣冷堆核電示范工程將通過(guò)自主創(chuàng)新、工程化系統(tǒng)集成與技術(shù)合作,帶動(dòng)先進(jìn)的科研設(shè)施和技術(shù)手段建設(shè),帶動(dòng)我國(guó)先進(jìn)反應(yīng)堆關(guān)鍵技術(shù)和工程化系統(tǒng)集成的產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)建設(shè),帶動(dòng)我國(guó)先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新的機(jī)制、體系和人才基礎(chǔ)建設(shè),帶動(dòng)自主創(chuàng)新能力、核心競(jìng)爭(zhēng)能力、持續(xù)發(fā)展能力等三個(gè)能力的建設(shè)。從這一意義上說(shuō),示范工程所奠定的上述基礎(chǔ)將成為今后我國(guó)核技術(shù)能力提升的重要牽引和驅(qū)動(dòng)。(3)主要設(shè)備制造國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)建設(shè)高溫氣冷堆核電示范工程,將形成我國(guó)商用先進(jìn)反應(yīng)堆的自主設(shè)計(jì)、自主制造、自主建設(shè)和自主營(yíng)運(yùn)的能力,掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),帶動(dòng)核燃料、設(shè)備制造、設(shè)計(jì)研發(fā)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。示范工程的設(shè)備將主要向國(guó)內(nèi)采購(gòu),設(shè)備設(shè)計(jì)基本由我國(guó)自行承擔(dān),大部分主要設(shè)備的制造都有可能國(guó)內(nèi)完成,可以提高國(guó)內(nèi)廠商的設(shè)計(jì)和制造能力。如示范工程的反應(yīng)堆壓力容器重量660t,內(nèi)徑5.7m,目前國(guó)內(nèi)尚未制造過(guò)這樣大型的反應(yīng)堆壓力容器。再如數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)(I&C),對(duì)核電廠我國(guó)目前尚無(wú)制造該系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)。這些設(shè)備的設(shè)計(jì)制造都將提高我國(guó)的機(jī)電工業(yè)水平,有利于我國(guó)綜合國(guó)力的提高。(4)高溫氣冷堆技術(shù)的應(yīng)用前景在新一代先進(jìn)核能系統(tǒng)的概念提出之后,歐美國(guó)家如果啟動(dòng)核能計(jì)劃,就極有可能選擇新一代先進(jìn)核能系統(tǒng)。美國(guó)、法國(guó)、日本、俄羅斯、南非等國(guó)都在加緊研發(fā)高溫氣冷堆。競(jìng)爭(zhēng)投標(biāo)美國(guó)高溫氣冷堆示范項(xiàng)目的三個(gè)聯(lián)隊(duì)均正式邀請(qǐng)清華大學(xué)參加美國(guó)示范項(xiàng)目的研發(fā)團(tuán)隊(duì),這充分說(shuō)明我國(guó)在高溫氣冷堆技術(shù)研發(fā)方面積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn),具備一定的技術(shù)實(shí)力,也顯示出我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)堆技術(shù)在國(guó)際核能市場(chǎng)中蘊(yùn)藏著巨大商機(jī)。由于高溫氣冷堆具有固有安全性、小型化、初始投資少和模塊化建設(shè)等特點(diǎn),因此蘊(yùn)藏巨大的商機(jī)。在國(guó)內(nèi),高溫氣冷堆可以作為壓水堆核電技術(shù)的補(bǔ)充,特別是可以在內(nèi)陸地區(qū)建設(shè)核電廠;在國(guó)際上,可以把發(fā)展中國(guó)家作為主要目標(biāo)市場(chǎng),拓展高溫氣冷堆核電市場(chǎng)。4對(duì)冷層商業(yè)前景的分析和政治建議從我國(guó)資源稟賦、能源布局和負(fù)荷分布的實(shí)際狀況出發(fā),加快高溫氣冷堆產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化步伐,成為今后需要深入討論和研究的重要課題。4.1高溫氣冷堆作為低碳經(jīng)濟(jì)的重要區(qū)域高溫氣冷堆是目前世界上各種反應(yīng)堆中最安全的一種堆型,在技術(shù)上能夠保證在任何情況下都不會(huì)發(fā)生堆芯熔毀造成的放射性外泄等嚴(yán)重事故。目前溫室氣體減排漸成全球之勢(shì),而核能屬于清潔、無(wú)空氣污染的低碳能源,對(duì)減緩氣候變化、減少CO2排放發(fā)揮重要作用。高溫氣冷堆將核能的這一普遍特點(diǎn)與自身的固有安全性特點(diǎn)結(jié)合,如果建在工商業(yè)集中、污染物排放嚴(yán)重的地區(qū),可以實(shí)現(xiàn)化石燃料排放物和二氧化碳的零排放,減少放射性物質(zhì)、燃料運(yùn)輸量、燃料貯存場(chǎng)地和揚(yáng)塵,具有良好的社會(huì)環(huán)境效益。如果能夠在電力負(fù)荷和熱負(fù)荷集中的地區(qū)建設(shè)高溫氣冷堆核電站,那么目前我國(guó)很多內(nèi)陸地區(qū)在關(guān)停大批小火電機(jī)組后,又增加了一種新的替代電源選擇,熱電聯(lián)產(chǎn)也增加了一種新的模式,對(duì)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、減少碳排放、實(shí)現(xiàn)能源的高效清潔利用都具有積極作用。4.2第二,進(jìn)一步擴(kuò)大內(nèi)陸地區(qū)電源點(diǎn)的應(yīng)用由于模塊式高溫氣冷堆核電站具有單堆功率小、可以模塊化組合的優(yōu)點(diǎn),可以滿足電網(wǎng)對(duì)不同規(guī)模電源點(diǎn)要求,特別是在建設(shè)分散式獨(dú)立電源和小型穩(wěn)定、可靠的支撐電源上具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),通過(guò)與大型壓水堆電站配合建設(shè),形成內(nèi)陸與沿?？煽侩娫袋c(diǎn)的最佳組合。特別是通過(guò)在示范工程基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì),可以滿足更多內(nèi)陸廠址的建設(shè)條件,使其在少水缺煤和交通不便的內(nèi)陸地區(qū)擁有更廣闊的商業(yè)化推廣前景。比如,可以采用高溫氣冷堆氦氣透平直接循環(huán)發(fā)電方式,減少用水量,提高發(fā)電效率;可以將鋼壓力殼改為現(xiàn)場(chǎng)澆注的預(yù)應(yīng)力混凝土壓力殼,從而減少大件運(yùn)輸量和對(duì)運(yùn)輸條件的要求。今年春季我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)遭遇的罕見(jiàn)雨雪冰凍災(zāi)害后,如何保障水資源短缺、煤炭供應(yīng)困難的內(nèi)陸地區(qū)電力供應(yīng)以及局域電網(wǎng)如何獲得可靠支撐電源等問(wèn)題引起了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注,在這種情況下,小型化、模塊化且安全性更高、更適合內(nèi)陸建設(shè)的高溫氣冷堆核電站更應(yīng)成為一種上佳選擇。4.3發(fā)展高溫氣冷堆制氫的意義高溫氣冷堆是現(xiàn)有各類反應(yīng)堆中工作溫度最高的堆型,也是唯一能提供高溫工藝熱的核能源。近期,高溫氣冷堆可作為新一代先進(jìn)堆型而成為我國(guó)核電的一個(gè)補(bǔ)充,用于中小型模塊式核能發(fā)電機(jī)組;遠(yuǎn)期,可以通過(guò)進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā),將氦氣氣體透平與模塊式高溫氣冷堆結(jié)合,更大地發(fā)揮高溫?zé)嵩磧?yōu)勢(shì),不僅用于城市供暖和化工領(lǐng)域,而且可以用于煤的氣化液化、合成燃料、海水淡化、制氫等能源資源領(lǐng)域,從而大大推動(dòng)我國(guó)能源資源多元化。煤的氣化液化。利用高溫?zé)崮?將煤炭轉(zhuǎn)化為清潔、易于運(yùn)輸、熱值高的氣體和液體燃料,是煤炭資源合理利用的一條重要新途徑。這是一項(xiàng)具有長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略意義的清潔燃料技術(shù)。熱解制氫。國(guó)際上公認(rèn)氫能將是21世紀(jì)中后期的理想能源,也是人類長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略能源。美