清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)設(shè)計研究院田嘉夫教授項目團(tuán)隊利用我國高溫氣冷堆已有的燃料球做成規(guī)則球床模塊堆，配合成熟的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)，使雙燃料運行的熱效率達(dá)到60%，在滿足1000MWe發(fā)電要求時，僅用兩座2×417MWt小堆，不僅安全性好，技術(shù)設(shè)備成熟度高，總投資也會低于全核電投資的50%，能夠滿足多國電網(wǎng)基荷和調(diào)峰的需要。

設(shè)計規(guī)則床模塊式高溫氣冷堆技術(shù)

助力我國核電站和核動力技術(shù)創(chuàng)新

項目完成單位 ：清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)設(shè)計研究院

項目完成人 ：田嘉夫

    核電是一項較新的工程技術(shù)，高溫氣冷堆是第四代核電技術(shù)路線之一，其出口溫度高、熱效率高和固有安全的特點為核能的和平利用開辟了新的道路。高溫氣冷堆在幾十年研究中，一直存在兩種堆型，即柱狀燃料堆和球形燃料堆，兩種堆型各自存在本身特有的問題。

    柱狀燃料堆由于燃料塊體積大，加工制造和輻照考驗困難，在堆內(nèi)的輻照變形出現(xiàn)間隙和振動問題也難以解決，目前還處于建造大型實驗堆的前期。不過它的模塊化設(shè)計性能，如單堆功率、輸出溫度和熱電轉(zhuǎn)換效率都好于球形燃料堆。

    球形燃料堆近來的研究，發(fā)現(xiàn)了一些不容忽視的影響安全運行的問題。例如，在過去德國球床實驗堆 AVR上，曾發(fā)現(xiàn)吸附裂變產(chǎn)物的石墨粉塵達(dá) 50 ～ 60,kg 之多。如果當(dāng)時發(fā)生氦氣泄漏事故，很可能造成放射性外泄，甚至發(fā)生高溫石墨粉遇到空氣爆燃或火災(zāi)等事故。大量石墨粉不僅使反應(yīng)堆退役遇到困難，而且現(xiàn)有安全殼設(shè)計也不能滿足安全要求。主要原因是運行過程中，所有燃料球都在不停的旋轉(zhuǎn)和移動，因此產(chǎn)生大量石墨粉。

    另外，高溫下燃料球移動規(guī)律不可能在常溫實驗條件下獲得，高溫摩擦阻力變大，移動特性不十分清楚，很可能在某些邊角處有結(jié)晶化傾向，造成移動速度過慢，引發(fā)燃耗超限，產(chǎn)生不應(yīng)有的放射性釋放。燃料球移動又導(dǎo)致軸向功率分布嚴(yán)重不均，使平均功率降低一倍以上。

    我國的高溫氣冷堆技術(shù)選擇了球床高溫氣冷堆的方向，清華大學(xué)田嘉夫教授從 20 世紀(jì) 60 年代開始致力于先進(jìn)核反應(yīng)堆開發(fā)研究工作，在高溫氣冷堆技術(shù)中提出了規(guī)則球床的研究方向，在實驗研究上取得了豐碩的創(chuàng)新成果。

    1 創(chuàng)新成果

    1.1 高溫氣冷堆的改進(jìn)——規(guī)則床模塊式高溫氣冷堆

    挑戰(zhàn)面前存在機(jī)遇。田嘉夫教授團(tuán)隊利用兩種實驗堆經(jīng)驗，去劣存優(yōu)創(chuàng)新了一種基于兩類堆型而高于兩類堆型的高溫氣冷堆成熟技術(shù)，即規(guī)則床模塊式高溫氣冷堆。規(guī)則床模塊高溫氣冷堆將燃料球在堆芯的隨機(jī)堆積轉(zhuǎn)變成有序排列的一種設(shè)計。規(guī)則堆積可在一定幾何形狀的堆芯空腔內(nèi)，由隨機(jī)落入的燃料球自動排列，形成一種結(jié)晶狀的密實體。這種改進(jìn)能全面提升反應(yīng)堆性能和參數(shù)，排除球形燃料堆設(shè)計中的不確定因素，簡化堆體結(jié)構(gòu)和運行方式，使燃料裝卸運輸和貯存發(fā)生重大變化。特別是它能建立一種燃料元件在大小堆循環(huán)利用的方法，使小堆燃料成本大大降低，開辟出中小反應(yīng)堆廣闊的應(yīng)用前景。

    規(guī)則床模塊式高溫氣冷堆的燃料是球形元件，堆積到堆芯就形成“結(jié)晶式”的固定結(jié)構(gòu)，不僅有規(guī)則的堆芯外形和更高的堆積密度，而且有徑向和軸向的功率展平，實現(xiàn)定期換料。運行中燃料球沒有移動，就排除了球床堆的問題，同樣也沒有柱狀堆的問題。它的設(shè)計性能，如單堆功率、輸出溫度和熱電轉(zhuǎn)換效率都接近和高于柱狀燃料堆，設(shè)計后的斷面圖形很像柱狀堆（見圖 1）。如果采用高溫氣冷堆較小的壓力殼，以及配套的風(fēng)機(jī)等設(shè)備，堆芯直徑 3,m，堆芯高 8,m，在現(xiàn)有安全限值下，熱功率就可以達(dá)到400,MWt。規(guī)則球床堆芯體積變小了，功率變高了。

    1.2 高溫氣冷堆與燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)結(jié)合

    大容量高效率的燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)是世界電力工業(yè)發(fā)展的一個趨勢，它既能節(jié)省日趨緊張的能源資源，又有利于保護(hù)環(huán)境。燃?xì)廨啓C(jī)的優(yōu)點是效率高、排污指標(biāo)低、建設(shè)周期短、占地和用水量少、啟動靈活、自動化程度高等。簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的功率已超過 280,MW，凈效率達(dá)到 40% ；聯(lián)合循環(huán)的單機(jī)功率超過 390,MW，凈效率達(dá)到 60%，而較先進(jìn)的超超臨界燃煤機(jī)組的熱效率僅僅為 45% 左右。因此，隨著天然氣資源的廣泛開發(fā)和應(yīng)用，燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)機(jī)組已成為世界上電力工業(yè)的主力機(jī)型，我國已經(jīng)成功開發(fā)出大型燃?xì)廨啓C(jī)（見圖 2）。

    我國主要因為天然氣資源條件和燃料價格偏高的限制，發(fā)展受到制約。過去一直把燃?xì)廨啓C(jī)定位為備用電源或調(diào)峰機(jī)組。近來隨著國家西氣東輸、東海油氣和進(jìn)口液化天然氣等項目的進(jìn)展，已經(jīng)準(zhǔn)備快速提升天然氣工業(yè)的開發(fā)速度。但是，面對數(shù)量龐大的燃煤機(jī)組的替換任務(wù)，燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電的高成本也是難于逾越的障礙。

    規(guī)則床模塊式高溫氣冷堆是在柱狀實驗堆和球床實驗堆多年實驗運行的基礎(chǔ)上，排除各自在實驗中發(fā)現(xiàn)的問題而設(shè)計出的新堆型，是設(shè)計成熟的高溫堆。高溫氣冷堆的熱電轉(zhuǎn)換以前有兩種方式，一種是將冷卻堆芯的氦氣，直接進(jìn)入氦氣輪機(jī)發(fā)電。另一種是高溫氦氣經(jīng)過熱交換，與高參數(shù)蒸汽輪機(jī)配合，能達(dá)到 42% 以上的熱電轉(zhuǎn)換效率，但存在高壓蒸汽漏入堆芯引發(fā)嚴(yán)重核事故的可能性。

    田嘉夫教授團(tuán)隊提出的能量轉(zhuǎn)換方式是高溫氣冷堆與燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組配合，技術(shù)成熟而且具有一系列優(yōu)異性能。天然氣燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)是國際上商用成熟技術(shù)，已經(jīng)具有一定規(guī)模的使用經(jīng)驗。在核能與聯(lián)合循環(huán)的工藝流程中，空氣被壓縮以后首先由核能加熱，即通過氦氣與壓縮空氣熱交換，被加熱至 800℃（以后可能提高至 950℃）后，再進(jìn)入天然氣燃燒室及燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)（見封底圖）。聯(lián)合循環(huán)的流量和壓比等設(shè)計參數(shù)需要考慮與核能聯(lián)合的新特點，其中壓縮機(jī)最好有中間冷卻，獲得壓比高和溫度低的參數(shù)，將更有利于核能的應(yīng)用。

    1.3 雙燃料清潔能源大型發(fā)電站

    將高溫氣冷堆與燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組配合，稱為雙燃料清潔能源大型發(fā)電站。雙燃料清潔能源大型發(fā)電站具有鮮明的特性?？梢栽诔醪筋A(yù)測的參數(shù)下，分析新聯(lián)合系統(tǒng)的技術(shù)性能和應(yīng)用特點。假如空氣壓縮后，溫度為 220℃，氦氣回路在換熱器的入出口溫度為 850℃和250℃，高溫氣冷堆的熱功率為 400,MW，壓縮空氣被加熱到 800℃，假如加入天然氣的燃燒功率為 400,MW，燃?xì)廨啓C(jī)初溫可以達(dá)到 1,380℃，燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的熱電效率能夠達(dá)到 60%。這種核能燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)可以有 3 種運行和應(yīng)用方式。

    （1）核能小堆基本負(fù)荷運行。核能燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的基礎(chǔ)是高溫氣冷堆配合空氣布雷頓循環(huán)，是一個典型的小堆設(shè)計，不加入其他燃料時只消耗核燃料，球的循環(huán)利用可以達(dá)到深燃耗，適合供應(yīng)基本負(fù)荷。燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的許多優(yōu)點也都能顯現(xiàn)出來，特別是它需要的冷卻水量少，廠址選擇更容易，能夠在不靠近海洋和大河流的內(nèi)陸地區(qū)建設(shè)。

    （2）雙燃料滿功率運行。在具有天然氣源的地區(qū)，以上述小堆為基礎(chǔ)，在燃燒室加入天然氣，以雙燃料方式運行。這相當(dāng)于同時建造了大型核電站和大型燃?xì)怆娬?，與 1,000,MWe 級的核電站相比，大大提高了安全性，已成為第 4 代小型核電的安全水平。大大降低投資，具有 1,000,MWe 發(fā)電能力，其中核電僅為 334,MWe（兩座小堆），估計其總投資僅為大型核電的 50%。在核電成本中，投資影響占 60% ～ 70% 的主要成分，總投資的降低使核電成本下降。在燃料費中，核燃料利用從來沒有如此高的 60% 發(fā)電效率，在經(jīng)濟(jì)上獨占優(yōu)勢。從天然氣利用的角度來看，與單獨燃?xì)怆娬鞠啾?，同樣達(dá)到 60%效率，決定電價的天然氣燃料費幾乎降低至 50%?？傊?，這種雙燃料系統(tǒng)是利用了高投資低燃料費的核能與低投資高燃料費和高效率的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)相結(jié)合，產(chǎn)生的新型發(fā)電系統(tǒng)具有明顯的經(jīng)濟(jì)競爭力。

    （3）雙燃料調(diào)峰運行。由于系統(tǒng)內(nèi)壓縮空氣被核熱源加熱到 800℃以上，加入的天然氣可以是任何比例，能在極短時間內(nèi)將功率提升到所需要的水平，這種特性正是電網(wǎng)調(diào)峰所需要的。因此，核能燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)以核能供應(yīng)基本負(fù)荷，以天然氣供應(yīng)尖峰負(fù)荷，成為既能帶基荷又能調(diào)峰的機(jī)組，電網(wǎng)對此有廣泛需求。特別是將核能、天然氣配合風(fēng)能，以組合形式建設(shè)。以核能和風(fēng)能滿足基本電力需要，當(dāng)風(fēng)力不足時，由少量天然氣補(bǔ)充，這樣可以避免“棄風(fēng)”，更有效地發(fā)揮風(fēng)力可再生能源效益，獲得清潔能源綜合性的良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

    雙燃料新型發(fā)電站適合國情，可以充分發(fā)揮清潔能源的優(yōu)勢，有利于解決燃煤電站效率低、污染大的問題，轉(zhuǎn)變電力能源結(jié)構(gòu)，支持國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

    2 擴(kuò)展應(yīng)用前景

    核能用于商船推進(jìn)動力的研究已經(jīng)進(jìn)行了幾十年，除了在破冰船上有些應(yīng)用外，試驗性的核動力商船還沒有取得商業(yè)運營的成功。其中主要原因是壓水堆型造成的，因為船用堆遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于商用發(fā)電壓水堆的經(jīng)濟(jì)規(guī)模，而且在船上的壓水堆燃料更換極其困難，只好延長換料期，導(dǎo)致燃料成本高而燃料利用率低。因此現(xiàn)有的船舶核動力僅能用于有限的軍事目的，還不能實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

    模塊式高溫氣冷堆具有固有安全性，排除了發(fā)生嚴(yán)重事故的可能，簡化了反應(yīng)堆系統(tǒng)，有合適的中小功率規(guī)模，高溫高效率，以及能夠直接與燃?xì)廨啓C(jī)耦合等特性，正是先進(jìn)船舶推進(jìn)動力所需要的。規(guī)則床堆芯有球形燃料堆積體結(jié)構(gòu)，自動排除堆芯輻照間隙，耐振動抗沖擊，具有船舶應(yīng)用需要的安全性、穩(wěn)定性和抗震性。特別是它的動力系統(tǒng)，包括壓力容器及能量轉(zhuǎn)換容器，有可能水平布置，以及船用小堆可能大幅度降低燃料成本等重要特性，展現(xiàn)出商用船舶核動力可行的應(yīng)用前景（見圖 3）。

    另外，有輿論認(rèn)為 ：中國在高溫氣冷核反應(yīng)推的小型化等技術(shù)上取得的重大進(jìn)展，已有潛力為艦艇甚至飛機(jī)開發(fā)以這種核反應(yīng)堆為核心的新型動力系統(tǒng)。憑借這種尖端技術(shù)，中國可能先于其他國家打造出移動核動力裝置（見封底圖）。

封底圖

    3 結(jié) 語

    具有第四代安全經(jīng)濟(jì)特性的核電應(yīng)該是人們期待的先進(jìn)的清潔低碳能源。高溫氣冷堆是當(dāng)今研發(fā)的第四代核電堆型之一，過去的設(shè)計還存在需要排除的嚴(yán)重的安全隱患。堆芯不熔化，不等于說不會有嚴(yán)重事故發(fā)生。需要吸取國外球床高溫堆和柱狀高溫堆兩種實驗堆型運行的經(jīng)驗教訓(xùn)、擴(kuò)展安全觀念和應(yīng)對安全低概率事件，確保反應(yīng)堆不出現(xiàn)后果極其嚴(yán)重的放射性釋放事故。當(dāng)熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用與燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)耦合應(yīng)用的技術(shù)以后，會發(fā)揮高溫堆所長，更大地提升轉(zhuǎn)換效率，形成一種高安全低投資和高效率的雙燃料清潔能源，可用于大堆或小堆的應(yīng)用環(huán)境，可滿足電力系統(tǒng)基本負(fù)荷和調(diào)鋒負(fù)荷的需要。在工程設(shè)計上采取一系列改進(jìn)和創(chuàng)新措施，包括采用規(guī)則床模塊化及地下反應(yīng)堆設(shè)計以后，可在提高反應(yīng)堆核心部位安全防衛(wèi)能力的同時，防范低概率事件，成為一種新的安全經(jīng)濟(jì)高效的先進(jìn)能源。