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如何让核电更坦然?这栽“高冷”的核电技术晓畅下

编辑| 史文慧

高温气冷堆定位于压水堆核电的添添、核能供炎的主力,在异日,随着示范工程的稳步推进,将在此基础上追求行使示范工程已经验证的技术,在保持主要设备及体系不变的情况下,多个模块组相符,形成60万千瓦的核炎电联产机组(HTR-PM600)。

相比于HTR-10,示范电站仍采纳模块式设计、球形燃料元件,实现不息堆换料,单堆炎功率250MW,设置两套自力停堆体系:限制棒体系和吸取球停堆体系。体系安放上采纳“肩并肩”的组织,逆答堆与蒸汽发生器别离设置在两个压力容器内,其间用炎气导管壳体相连接。

这些燃料颗粒会像五仁月饼的果仁相通弥散在石墨基体之中,末了约束烧结成燃料元件。只要环境温度不超过1650℃,最外层的碳化硅球壳就会保持完善,锁定放射性材料,成为逆答堆的第一道坦然屏障。

(HTR-10堆本体暗示图)

稀奇声明:本文为自媒体平台“号”作者上传并公布,仅代外该作者不都雅点。仅挑供信息公布平台。

为了验证逆答堆的坦然性,模拟能够的事故情况,在2003-2004年,HTR-10别离进走了厂外电源断电试验、主氦风机停机试验,以及甩负荷试验等3项验证固有坦然性的试验。

而之后,惰性气体氦气取代二氧化碳的计划很快便推出了,那就是由英国牵头多个国家参与的“龙堆”(Dragon)项现在。

它的最基本特点是:在任何事故条件下,逆答堆堆芯的盈余发炎能够首末非能动的手段载出,堆芯包覆颗粒燃料的温度不会超过批准的限值。这一设计请求能够幸免核事故中最可怕的“堆芯熔化”,从而使得即使发生主要事故,核电厂厂外放射性剂量仍在限值周围之内,限制对于社会和环境的损坏。

下一步,向那里?

示范工程选址在山东半岛东端的荣成,于2012年12月开工,2018年5月完善首台燃料装卸体系安置和首台主氦风机的出厂实验,现在已经进入到了周详调试阶段的冲刺阶段,今年有看实现并网发电。

倘若你一般关注核电技术的话,能够频繁听到这些专科词汇:轻水堆、重水堆、压水堆、沸水堆、高温气冷堆、快堆、熔盐堆……其实,这些都是以所用到的制冷技术来称呼核逆答堆,比如轻水堆和重水堆都属于压水堆,是将水行为冷却剂,用添压(轻水/重水)的手段冷却逆答堆,而气冷逆答堆,则不再行使水,转而行使气体行为冷却剂。

现在投入商用的核逆答堆技术主要是压水堆,其材料都是由氧化铀陶瓷芯块和锆相符金包壳构成,而高温气冷堆的燃料则复杂一些,其高温特性和坦然性也最先归功于此。

HTR-10是世界最先实现球床模块式高温气冷堆的安放方案。

现在一切的发电设备原理照样是百年前的“磁生电”——切割磁感线的活动在导体中产生电流,只不过推动“导体”和“磁场”活动的动力来源迥异,于是产生了各栽发电的手段。

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保证逆答堆坦然的最大挑衅来自于如何将衰变逆答产生炎量顺手带出堆芯,以防止炎量堆积发生堆芯熔化、放射性外泄等哀惨的事故。

作者 | 常松,清华大学材料学院博士

与此同时,美国和联邦德国也别离建成了桃花谷(Peach Bottom)逆答堆和AVR逆答堆,两个逆答堆均在1966年达到临界,1967年并网发电,其中AVR逆答堆直到1988年才退伍。

全世界唯二运走的高温气冷堆——中国HTR-10

最先是模块式的设计,使得单堆的功率惟独压水堆的10%,这使得其面临的散炎压力也幼;另外,堆芯功率密度也很矮,惟独压水堆的1/30,这也使得它具有更大的散炎外观,即使在主动冷却失效时,衰变炎也能够首末自然散炎的手段从堆芯传递给环境炎阱。这一由德国最先做出的设计思维,却在中国的HTR-10上实现了全球首次实在逆答堆上的坦然演示。

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在设备建设方面,HTR-PM也完善了一系列世界首台套大型装备创造,包括世界上还异国、首末研发创制的创新式设备660台,如逆答堆压力容器、主氦风机,整个工程国产化率实现90%以上。

今天吾们就来介绍一栽公认的新一代核电技术——高温气冷堆。

(高温气冷堆核电站示范工程原则性流程)

从参数上看,逆答堆炎功率10MW,逆答堆入口温度250℃,出口温度700℃,采纳蒸汽循环发电,球形燃料元件采纳在线装卸,直流蒸汽发生器将二次侧的给水添炎至3.5MPa、435℃的过炎状态,推动蒸汽轮机发电。

它的中央是直径0.5mm旁边的二氧化铀,外观是三栽材料以专一球方法包裹的燃料颗粒,别离是炎解碳、碳化硅、致密炎解碳,这个颗粒的尺寸也不能1mm。

这栽机组具有迄今为止在裂变核能体系上能够实现的最高坦然性能,能够代替同功率的燃煤发电机组。更方便的是,原由发电体系与火电机组相通,能够足够行使燃煤电站原有设备改造,同时倚赖气冷的上风,实现对工业、民用供暖等挑供高温蒸汽,实现能源的高效行使。

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由以上暗示图可见,逆答堆的堆芯设计是可起伏的球床组织,外围采纳石墨逆射层和碳砖绝炎层构成,在石墨逆射层还安放了限制棒孔道,在石墨逆射层内还安放了碳化硼吸取球孔道。行使限制棒和吸取球两套自力的体系来限制逆答堆的核逆答。整个示范工程共有10套限制棒和20套行为第二停堆体系的吸取球停堆装配,确保体系多样性和冗余性。

在HTR-10的固有坦然性得到保障之后,中国在2004年最先启动更高功率、面向市场的高温气冷堆核电站项现在——20万千瓦级高温气冷堆核电站示范工程(HTR-PM)。

其另一道坦然屏障就是“气冷”——以氦气行为冷却气体。原由氦气是一栽惰性气体,几乎不与任何物质发生化学逆答,原子序数矮,中子吸取截面幼,难于活化,自己具有很矮的放射性程度,也不会像压水堆相通存在各栽侵蚀题目。

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在此设计思路下,德国发展了基于球形燃料元件的200MW炎功率的HTR-Module,美国挑出了基于棱柱状堆芯的模块式高温气冷堆(MHTGR),炎功率为250MW。

上世纪50年代,英国和法国领先在气冷堆方面做出追求,最先开发的是镁诺克斯(Magnox)型气冷堆,采纳二氧化碳气体行为冷却剂,石墨行为慢化剂,镁诺克斯金属行为燃料棒的包壳材料。

核电,归根到底就是用核逆答的炎能来驱动蒸汽轮机发电,因此从组织上看,就是图中左边用来发炎的“炉子”和用来发电的蒸汽轮机。这一原理和火电相通,迥异之处是用核燃料代替了煤炭。

现在,HTR-PM是世界上最挨近商业化、坦然性也最高的四代核电技术,它被国际上认为是一栽“不会熔毁的逆答堆”。

在核燃料的创造方面,其采纳了全陶瓷型的高性能核燃料,而且实现了燃料元件厂的设计生产能力,其中通盘设备国产化。产品在欧盟开展的3年中子辐照及高温极限条件测试中实现在1650℃高温条件下能有效拦截放射性的泄露,这一指标达到世界最益程度。

早在1974年原子能工业首步时期,中国就最先了对气冷堆的早期追求阶段。而这暂时期,世界已经处于核电发展的高潮时期,美国和联邦德国别离建筑交织了圣·弗伦堡(Fort St. Vrain)高温堆示范电厂和钍高温气冷堆示范电厂(THTR-300)。

高温气冷堆是气冷逆答堆中的一栽。

(HTR-PM600核电厂3维设计图)

高温气冷堆之以是坦然,源于其燃料很特有

(HTR-PM堆本体暗示图)

整个工程不光将建成具有自立知识产权的20万千瓦模块式高温气冷堆核电站示范工程,还将开展氦气透平直接循环发电及高温堆制氢等技术钻研,使中国有能力跻身掌握第四代核电技术的国家走列。

那么,HTR-10到底有多坦然呢?

在实验数据和技术积存到肯定程度之后,活着界高温气冷堆的赛场上,中国的高温气冷堆终于出场了,这就是至今仍在运走的世界仅有的两个高温气冷堆之一,10兆瓦高温气冷实验堆(HTR-10)。

20万千瓦示范电站:最挨近商业化的四代核电

在这栽比日后的日本福岛核不幸更主要的工况下,逆答堆异国发生堆芯熔化,而且靠全程负逆答性温度系数实现了主动停堆。这也就实现了第4代核能体系的一个主要指标:能够首末对核电站的集体实验向公多表明核电的坦然性:在任何事故下,包括丧失一切冷却的情况下,不采纳任何人造干预,逆答堆仍能保持坦然状态。

(高温气冷堆包覆颗粒及球形燃料元件)

其第三道屏障是逆答堆以石墨行为慢化剂,整个堆芯都异国金属,组织材料全是石墨和碳块,因此熔点能够达到3000℃,挑高了组织坦然性。

HTR-10原形有多坦然?

气冷逆答堆并不是复活事物,在人类将核能用于搏斗后的10年里,对于和平行使核能的钻研就不息在不息。

出品 | 消息

行为较早掌握原子能技术的国家,中国的逆答堆钻研也不息都陪同着世界钻研的节奏,在“863” 计划中,高温气冷堆就是能源周围的一项钻研专题,其中竖立了8个钻研倾向:设计钻研、燃料元件钻研、钍–铀循环燃料后处理钻研、石墨堆体性能钻研、氦技术及氦关键设备钻研、压力容器、球床起伏特性和燃料装卸体系技术钻研、组织材料行使性能钻研。这也是改革盛开后,中国对高温气冷堆首次进走大周围体系性专题钻研。

今年,一部《切尔诺贝利》的高分美剧再次让30多年的一场核不幸重回公多视野,也让已经日渐修整的世界恐核思潮再首波澜。如何坦然行使核能,不息是世界核能技术的必答题。

要坦然行使核能,逆答堆的冷却手段很主要

经过了数十年的技术积存,中国的HTR-10已经形成了自力自立的知识产权,逆答堆的体系、炎工、死板等都是自立设计,燃料装卸体系、氦风机等关键技术和设备也都实现了自立研发,压力容器、直流蒸汽发生器等大型构件均实现国产化,同时中国还竖立了燃料元件生产线,开发了数字化逆答堆珍惜体系。

为了体系性地解决坦然题目,HTR-10采纳了一系列坦然设计。

也是在这暂时期,美国和苏联相继发生了历史上最主要的核事故——三哩岛和切尔诺贝利事故,这两首事故使得人类对于核能行使的坦然性挑到了史无前例的高度。因此,在那时气冷堆的试验中,具有固有坦然特征的模块式高温气冷堆成为主要发展倾向。

 


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