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開辟規(guī)則床高溫氣冷堆研究新方向 提出核-氣雙燃料發(fā)電新方案

     ——清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)設(shè)計(jì)研究院田嘉夫教授研究成果

    清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)設(shè)計(jì)研究院田嘉夫教授從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，他和團(tuán)隊(duì)利用我國(guó)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)，使雙燃料的熱效率達(dá)到60％，僅用兩座2x417MWt小堆即可滿足1000MWe發(fā)電需求，不僅安全性好，技術(shù)設(shè)備成熟度高，總投資也不超過(guò)全核電投資的50％，能夠滿足多國(guó)電網(wǎng)基荷和調(diào)峰的需要。而且作為一個(gè)新的移動(dòng)核動(dòng)力裝置，反應(yīng)堆壓力容器臥式放置搭配燃?xì)廨啓C(jī)，具有重量輕、啟動(dòng)快和形體適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

    1、新型高溫氣冷堆成熟技術(shù)——規(guī)則床模塊式高溫氣冷堆

    高溫氣冷堆主要有柱狀燃料堆和球形燃料堆兩種堆型，這兩種堆型均存在一定程度的不足。柱狀燃料堆由于燃料塊體積大，不僅加工制造和輻照考驗(yàn)困難，在堆內(nèi)的輻照變形出現(xiàn)間隙和振動(dòng)問(wèn)題也難以解決。球形燃料堆運(yùn)行過(guò)程中所有燃料球都在不停的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生大量石墨粉，具有一定的安全隱患，且高溫下燃料球移動(dòng)特性尚不完全清楚，很可能在某些邊角處有結(jié)晶化傾向，造成移動(dòng)速度過(guò)慢，引發(fā)超燃耗限值，產(chǎn)生不應(yīng)有的放射性釋放。此外，燃料球移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致軸向功率分布嚴(yán)重不均，使平均功率降低50%以上。

    田嘉夫教授與團(tuán)隊(duì)結(jié)合上述兩種堆型存在的問(wèn)題，提出一種新型高溫氣冷堆成熟技術(shù)——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，采用球床高溫氣冷堆同樣的燃料球，適用于同樣的強(qiáng)放射性環(huán)境。如何使燃料球從堆頂落入堆芯后形成規(guī)則堆積？田嘉夫教授的研究表明只要在堆芯的底面上加工很多半球形凹陷，使落入的燃料球成正方形排列，每4個(gè)球的中心又形成新的凹陷，成為次一層球的位置，以此層層累積就形成了正四棱錐規(guī)則堆積（圖1）。這時(shí)圍成堆芯的側(cè)壁呈正方形、長(zhǎng)方形或是八角形。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(jì)中的不確定因素，簡(jiǎn)化堆體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式，使燃料裝卸運(yùn)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。

圖1  規(guī)則床堆積原理示意圖

    規(guī)則床高溫氣冷堆的設(shè)計(jì)性能（單堆功率、輸出溫度和熱電轉(zhuǎn)換效率等）都接近和高于柱狀燃料堆，設(shè)計(jì)后的斷面圖形與柱狀堆相似（圖2）。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8m，在現(xiàn)有安全限值下，熱功率可以達(dá)到400 MW。

圖2  規(guī)則床模塊式高溫氣冷堆結(jié)構(gòu)示意圖

    2、高溫氣冷堆與天然氣燃?xì)廨啓C(jī)相結(jié)合的雙燃料新型發(fā)電模式

    采用燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)可以高效利用燃料，是目前世界電力工業(yè)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，但我國(guó)天然氣資源有限，限制了這種能源技術(shù)的大規(guī)模發(fā)展。核能對(duì)于減少溫室氣體排放和治理環(huán)境污染具有重要意義，但核能電廠投資成本較大，且由于發(fā)生事故的后果嚴(yán)重，安全問(wèn)題一直是制約核電發(fā)展的一個(gè)重要因素。田嘉夫教授與團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述兩種能源技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)及限制因素，在現(xiàn)有成熟技術(shù)基礎(chǔ)上，提出將規(guī)則床高溫氣冷堆與天然氣燃?xì)廨啓C(jī)組合成核-氣雙源發(fā)電廠，該方案技術(shù)成熟且具有較高的性價(jià)比。

    “核-氣雙源發(fā)電”工藝流程如圖3所示，空氣被壓縮后首先由核能加熱，即通過(guò)氦氣與壓縮空氣熱交換，被加熱至800℃后，再進(jìn)入天然氣燃燒室及燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)。聯(lián)合循環(huán)的流量和壓比等設(shè)計(jì)參數(shù)需要考慮與核能聯(lián)合的新特點(diǎn)，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。

圖3　核能燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)

    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1380℃，燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的熱電效率能夠達(dá)到60％。核能燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)可以采用核能小堆基本負(fù)荷運(yùn)行、核-氣雙源發(fā)電廠滿功率運(yùn)行、核-氣雙源發(fā)電廠調(diào)峰運(yùn)行三種運(yùn)行方式。

    （1）核能小堆基本負(fù)荷運(yùn)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(gè)典型的小堆設(shè)計(jì)，不加入其他燃料時(shí)只消耗核燃料，適合供應(yīng)基本負(fù)荷。燃?xì)廨啓C(jī)的初溫為800℃，配備專用的低參數(shù)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，以熱電效率40％發(fā)電。核能小型堆機(jī)組的熱功率400 MW，電功率160 MW。與小型壓水堆相比，它的特點(diǎn)是具有固有安全性，在斷電事故時(shí)，即使控制棒不動(dòng)作，也能停堆和排出余熱，不會(huì)出現(xiàn)堆芯熔化事故。它的包覆顆粒燃料，雖然燃料 U-235富集度較高，但燃耗深度可能達(dá)到120000 MWD/tU以上，具有較高的燃料利用率。核能小堆基本負(fù)荷運(yùn)行與其他大型核電站相比，具有優(yōu)越的安全性和經(jīng)濟(jì)性。燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的許多優(yōu)點(diǎn)也都能顯現(xiàn)出來(lái)，特別是需要的冷卻水量少，廠址更容易選擇。

    （2）核-氣雙源發(fā)電廠滿功率運(yùn)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，以核-氣雙源方式運(yùn)行。假定燃燒功率也是400 MW，燃?xì)廨啓C(jī)初溫可達(dá)到1380℃，聯(lián)合循環(huán)將以60％效率產(chǎn)生電力。一套裝置的電功率就能達(dá)到480 MW。如果以兩座小堆聯(lián)合幾臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)，則成為960 MW的大型發(fā)電站。這種核-氣雙源運(yùn)行的大型發(fā)電站，與1000 MW級(jí)的核電站相比，安全性大幅提高，同時(shí)降低了投資，具有1000 MW發(fā)電能力，其中核電為320 MW（兩座小堆），其總投資僅為大型核電的50％。

    （3）核-氣雙源發(fā)電廠調(diào)峰運(yùn)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(shí)間內(nèi)將功率提升到所需水平，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(duì)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)，核能和風(fēng)能滿足基本電力需要，當(dāng)風(fēng)力不足時(shí)，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。