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世界最先進(jìn)的第四代核反應(yīng)堆:10兆瓦氦氣氣冷堆
2011-11-16 22:49:21
2005年6月，一個(gè)越洋長(zhǎng)途電話打到了清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院（下稱核研院）。美國(guó)《紐約時(shí)報(bào)》記者向核研院院長(zhǎng)張作義了解10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆的建設(shè)和運(yùn)行情況，并就未來核電站的發(fā)展問題進(jìn)行了采訪。這個(gè)引起美國(guó)媒體關(guān)注的試驗(yàn)堆就是國(guó)家“863計(jì)劃”項(xiàng)目：10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆氦氣透平發(fā)電項(xiàng)目。
可能有不少人覺得，一個(gè)中國(guó)的科研項(xiàng)目被外國(guó)記者采訪并不是什么新鮮事。但核研院的高溫氣冷堆被美國(guó)媒體關(guān)注卻有其特殊的意義。首先，美國(guó)核專家認(rèn)為清華的高溫氣冷堆發(fā)電裝置是目前世界上最安全的核電裝置，美國(guó)人稱“這種安全的反應(yīng)堆是一個(gè)真實(shí)的神話”；其次，在石油、天然氣日益緊缺的今天，用氫做燃料被科學(xué)家們普遍看好，只不過制氫所需要的巨大能量使其成本太高，而清華的高溫氣冷堆能以很低的成本提供相對(duì)巨大的能量，從而大幅度降低制氫的成本。僅此兩點(diǎn)就不難理解為什么美國(guó)人對(duì)這個(gè)中國(guó)的“863計(jì)劃”項(xiàng)目如此關(guān)心了?？蓪?shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行的第四代核能系統(tǒng)。
模塊化高溫氣冷核反應(yīng)堆是一種安全性好、可用于高效發(fā)電和高溫供熱的先進(jìn)核反應(yīng)堆，它是國(guó)際核能領(lǐng)域第四代核能系統(tǒng)中六種備選堆型之一，并且是唯一可在2020年前實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行的第四代核能系統(tǒng)。核研院建成了世界上第一個(gè)模塊化高溫氣冷堆實(shí)驗(yàn)電站，在這一高科技領(lǐng)域，我國(guó)已經(jīng)走在了世界前列。
核研院承擔(dān)的10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆是國(guó)家“863計(jì)劃”能源領(lǐng)域重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目之一。其研究目標(biāo)是：掌握模塊化高溫氣冷堆的設(shè)計(jì)和建造技術(shù)并積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)；進(jìn)行模塊化高溫氣冷堆固有安全特性的實(shí)驗(yàn)研究；開展蒸汽透平循環(huán)發(fā)電、氦氣透平直接循環(huán)發(fā)電研究；進(jìn)行高溫工藝熱應(yīng)用研究。
10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆項(xiàng)目計(jì)劃分兩個(gè)階段進(jìn)行：“高溫氣冷堆蒸汽透平發(fā)電系統(tǒng)”（一期工程），“高溫氣冷堆氦氣透平發(fā)電系統(tǒng)”（二期工程）。
一期工程達(dá)到滿功率運(yùn)行并網(wǎng)發(fā)電
10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆項(xiàng)目的“一期工程”于1992年被“863計(jì)劃”正式立項(xiàng)，1995年動(dòng)工建造，2000年12月達(dá)到首次臨界，反應(yīng)堆設(shè)計(jì)熱功率10兆瓦。一期工程采用具有兩個(gè)熱力循環(huán)回路的蒸汽透平發(fā)電系統(tǒng)：一回路為氦氣循環(huán)，二回路為水/水蒸氣循環(huán)，兩個(gè)循環(huán)回路由蒸汽發(fā)生器耦合在一起。一回路氦氣循環(huán)包括反應(yīng)堆堆芯、熱氣導(dǎo)管、蒸汽發(fā)生器、氦風(fēng)機(jī)等部件；核燃料的裂變能被石墨慢化劑轉(zhuǎn)化為熱能，循環(huán)冷卻劑氦氣將熱能載出反應(yīng)堆，經(jīng)過熱氣導(dǎo)管流向蒸汽發(fā)生器，氦氣通過蒸汽發(fā)生器將熱能傳輸給二回路中的水/水蒸氣，經(jīng)過氦風(fēng)機(jī)提供循環(huán)動(dòng)力，流入反應(yīng)堆堆芯繼續(xù)循環(huán)；反應(yīng)標(biāo)明中文堆堆芯入口氦氣溫度為250℃ ，出口氦氣溫度為700℃ ，循環(huán)壓力為3.0 兆帕（MPa標(biāo)明中文）。二回路水/水蒸氣循環(huán)包括蒸汽透平、蒸汽冷凝器、循環(huán)水泵、蒸汽發(fā)生器等部件；流經(jīng)蒸汽發(fā)生器的水吸收氦氣側(cè)傳遞的熱量被蒸發(fā)，進(jìn)入蒸汽透平膨脹做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，從蒸汽透平出來的乏蒸汽被冷凝器凝結(jié)為水，經(jīng)過循環(huán)水泵加壓，進(jìn)入蒸汽發(fā)生器進(jìn)行循環(huán)；二回路設(shè)計(jì)壓力為3.45 兆帕（MPa **）、透平入口蒸汽溫度為435℃ ，發(fā)電機(jī)功率約為2.5 兆瓦（MWe標(biāo)明中文）。
一期工程于2003年1月達(dá)到滿功率運(yùn)行并網(wǎng)發(fā)電。這是世界上第一座模塊化高溫氣冷堆實(shí)驗(yàn)電站，它的建成引起國(guó)內(nèi)外核能領(lǐng)域強(qiáng)烈反響：國(guó)內(nèi)，該項(xiàng)目在十屆人大政府工作報(bào)告中被列為四項(xiàng)重大科技成就之一，并獲2004年度教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)；國(guó)際上，包括國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)、美國(guó)能源部及其它多國(guó)能源管理當(dāng)局在內(nèi)的國(guó)際核能領(lǐng)域官員和專家絡(luò)繹不絕地到我國(guó)參觀10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆。鑒于我國(guó)在模塊化高溫氣冷堆方面取得的成就，國(guó)際上包括美國(guó)通用原子能公司、俄羅斯OKBM研究院、韓國(guó)原子能研究院、南非Eskom公司等多家國(guó)際核能領(lǐng)域研究機(jī)構(gòu)和能源公司主動(dòng)提出與核研院合作進(jìn)行高溫氣冷堆電站的研究與開發(fā)。
二期工程已取得階段性成果
在10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆一期工程蒸汽透平發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電站設(shè)計(jì)建造并成功運(yùn)行的基礎(chǔ)上，國(guó)家繼續(xù)對(duì)高溫氣冷堆技術(shù)的研究與發(fā)展給予支持。核研院適時(shí)提出10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆后續(xù)研究項(xiàng)目（二期工程）：高溫氣冷堆氦氣透平發(fā)電系統(tǒng)，被批準(zhǔn)作為“十五”期間能源領(lǐng)域重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目納入“863計(jì)劃”，并于2003年與科技部簽訂“863計(jì)劃”課題任務(wù)合同書。該項(xiàng)目包括兩大研究領(lǐng)域：
1、10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆運(yùn)行考驗(yàn)和固有安全實(shí)驗(yàn)；
2、10兆瓦高溫氣冷堆直接氦氣循環(huán)發(fā)電裝置。
在10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆一期工程蒸汽透平發(fā)電系統(tǒng)滿功率運(yùn)行并網(wǎng)發(fā)電的基礎(chǔ)上，核研院完成了一系列運(yùn)行特性研究和固有安全性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：包括15項(xiàng)運(yùn)行特性研究和8項(xiàng)固有安全特性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。
核研院的這一實(shí)驗(yàn)展示了模塊式高溫氣冷堆的一個(gè)最重要特性：在任何事故情況下，包括喪失所有冷卻的情況下，不采取任何人為的和機(jī)器的干預(yù)，反應(yīng)堆能保持安全狀態(tài)。我國(guó)已經(jīng)掌握核電站的最新一代技術(shù)。
美國(guó)麻省理工學(xué)院教授、美國(guó)核學(xué)會(huì)前任主席克達(dá)克先生對(duì)清華核研院的這一安全演示給予極高的評(píng)價(jià)：中國(guó)這個(gè)滿功率運(yùn)行的球床模塊式實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆是目前世界上唯一的一座，它的技術(shù)及安全水平已走在了世界的前列，美國(guó)希望從這個(gè)實(shí)驗(yàn)堆中學(xué)到更多的東西。
10兆瓦高溫氣冷堆直接氦氣循環(huán)發(fā)電裝置是世界上第一個(gè)將模塊化高溫氣冷堆與氣體透平直接循環(huán)相結(jié)合的試驗(yàn)裝置。經(jīng)過兩年多的努力，項(xiàng)目在幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)上已經(jīng)取得重大突破和進(jìn)展：
1）完成能量轉(zhuǎn)換單元熱力循環(huán)方案優(yōu)化；
2）攻克了氦氣透平壓氣機(jī)組技術(shù)難關(guān)；
3）破解了電磁軸承技術(shù)難題；
4）解決了立式工作潤(rùn)滑油密封和變工作壓力油站供油兩個(gè)氦氣氛圍立式高速齒輪減速器的技術(shù)難題。
高溫氣冷堆氦氣透平直接循環(huán)發(fā)電是高溫堆發(fā)展的方向，它的技術(shù)特點(diǎn)是：系統(tǒng)簡(jiǎn)單，只有一個(gè)熱力回路；發(fā)電效率高，商用堆的發(fā)電效率可達(dá)47%左右，加上模塊式高溫堆的固有安全性特點(diǎn)，使之成為非常有競(jìng)爭(zhēng)力的新堆型。但它也存在著一系列的技術(shù)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)，例如：氦氣輪機(jī)與反應(yīng)堆耦合技術(shù)、氦氣透平的研制、高效緊湊式換熱器的研制、電磁軸承系統(tǒng)研制、高壓動(dòng)力貫穿件等，都是各所屬學(xué)術(shù)領(lǐng)域前沿課題。許多國(guó)家投入相當(dāng)?shù)娜肆ξ锪M(jìn)行研究開發(fā)，但都停留在研究設(shè)計(jì)階段，只有我國(guó)的“10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆氦氣透平發(fā)電系統(tǒng)”項(xiàng)目順利進(jìn)入實(shí)施階段。清華大學(xué)核研院有能力、有信心按期建成世界上第一座模塊化高溫氣冷堆氦氣透平發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電站，保持我國(guó)在這一高技術(shù)領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先水平，在國(guó)際能源領(lǐng)域新一輪競(jìng)爭(zhēng)中搶占制高點(diǎn)，早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，為我國(guó)核能事業(yè)作出重大貢獻(xiàn)。
新華網(wǎng)北京07年２月２８日電（記者吳晶晶）１０兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆項(xiàng)目在２７日舉行的國(guó)家科技獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上獲得了國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。這個(gè)反應(yīng)堆的建造，使我國(guó)掌握了模塊式球床高溫氣冷堆的核心技術(shù)、設(shè)計(jì)技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)，在第四代核反應(yīng)堆技術(shù)中占得先機(jī)。 １０兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆是國(guó)家８６３計(jì)劃的重點(diǎn)項(xiàng)目，從研究設(shè)計(jì)到建成歷時(shí)１７年，總投資為２．７５億元，工程包括了反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)電等３４個(gè)系統(tǒng)。 為了促進(jìn)核能更大規(guī)模的發(fā)展，近幾年來美國(guó)能源部和國(guó)際核能專家提出了第四代核能系統(tǒng)的理念，其主要特征是具有更好的經(jīng)濟(jì)性和安全性，核廢物產(chǎn)生量最小化，核資源更有效利用，以及防止核擴(kuò)散。 有關(guān)專家認(rèn)為，模塊式高溫氣冷堆具有第四代核反應(yīng)堆特性，是能夠適應(yīng)未來能源市場(chǎng)需要的先進(jìn)堆型。除了安全性好，效率高，它還可以提供９００攝氏度 以上的高溫?zé)嵩矗烁咝Оl(fā)電外，還可以用于水熱裂解制氫，為未來氫能時(shí)代提供清潔能源。
據(jù)介紹，１０兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆項(xiàng)目取得了六項(xiàng)創(chuàng)新成果，包括：成功建成世界上首座具有固有安全特性的模塊式球床高溫氣冷堆；世界上首次在反應(yīng)堆上成功完成嚴(yán)重事故工況下固有安全性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)；建成球形燃料元件生產(chǎn)線，制備出國(guó)際先進(jìn)水平的包覆顆粒燃料元件；發(fā)明脈沖氣動(dòng)排球裝置，攻克球床堆關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)燃料元件連續(xù)裝卸；在國(guó)內(nèi)率先研制成功反應(yīng)堆全數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)，并成功用于反應(yīng)堆運(yùn)行；自主研制成功主氦風(fēng)機(jī)，攻克關(guān)鍵的氦技術(shù)。 鑒于高溫氣冷堆具有良好的發(fā)展前景，中國(guó)華能集團(tuán)公司、中國(guó)核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)公司和清華大學(xué)將合作建造一座２０萬千瓦級(jí)模塊式球床高溫氣冷堆示范電站，廠址選擇在山東榮成。 高溫氣冷反應(yīng)堆的工作原理: 工作原理是：用石墨做為慢化劑，用氣體氦作為冷卻劑（這就是“氣冷”），氦氣的溫度高達(dá)800度左右（這就是“高溫”） 具體過程是：當(dāng)反應(yīng)堆內(nèi)的核燃料進(jìn)行核反應(yīng)時(shí)，放出中子，速度太快的中子經(jīng)過石墨碰撞便慢下來（因?yàn)樵诖硕牙镏挥新凶硬拍芘c鈾燃料發(fā)生有效反應(yīng)），以維持核反應(yīng)。核反應(yīng)時(shí)要釋放出大量的熱量，如果不把熱量帶走，就會(huì)燒毀反應(yīng)堆，所以用氣體（氦）流經(jīng)堆芯，把熱量帶到熱交換器，再由另一路冷卻劑把氦氣冷卻，降溫后的氦氣又回到堆芯繼續(xù)冷卻反應(yīng)堆，形成閉式循環(huán)回路.
經(jīng)國(guó)家發(fā)改委批準(zhǔn)，清華大學(xué)與中國(guó)華能集團(tuán)、中國(guó)核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)正共同推進(jìn)高溫氣冷堆的產(chǎn)業(yè)化工作，計(jì)劃在２０１０年左右建成世界上第一座高溫氣冷堆示范電站。 記者近日從清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院了解到，該院承擔(dān)的１０兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆一期工程于２０００年１２月建成，并于２００３年１月滿功率運(yùn)行并網(wǎng)發(fā)電，這是世界上第一座模塊化高溫氣冷堆實(shí)驗(yàn)電站，標(biāo)志著中國(guó)在新型核能技術(shù)領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位。 據(jù)介紹，模塊化高溫氣冷核反應(yīng)堆是一種安全性好、可用于高效發(fā)電和高溫供熱的先進(jìn)核反應(yīng)堆，它是國(guó)際核能領(lǐng)域第四代核能系統(tǒng)中六種備選堆型之一，并且是唯一可在２０２０年前實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行的第四代核能系統(tǒng)。
據(jù)了解，核能作為一種清潔能源，既不排放溫室氣體，又不污染環(huán)境，是解決未來幾十年中國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)能源需求高速增長(zhǎng)的有效途徑之一。中國(guó)在2代、3代堆技術(shù)上落后于法國(guó)、美國(guó)、俄羅斯等國(guó)家，但4代堆技術(shù)卻走在世界前面. 4代產(chǎn)業(yè)化還要十年時(shí)間.所以如果產(chǎn)業(yè)化之后，氣冷堆對(duì)氦氣的供應(yīng)環(huán)節(jié)還是非常重要的，面對(duì)目前全球氦氣資源緊缺的局勢(shì)，應(yīng)該著手未來的氦氣資源規(guī)劃問題。
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