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開辟規則床高溫氣冷堆研究新方向 提出核-氣雙燃料發電新方案

     ——清華大學核能與新能源技術設計研究院田嘉夫教授研究成果

    清華大學核能與新能源技術設計研究院田嘉夫教授從20 世紀60 年代開始致力于先進核反應堆開發研究工作，他和團隊利用我國高溫氣冷堆已有的燃料球做成規則球床模塊堆，配合成熟的燃氣蒸汽聯合循環，使雙燃料的熱效率達到60％，僅用兩座2x417MWt小堆即可滿足1000MWe發電需求，不僅安全性好，技術設備成熟度高，總投資也不超過全核電投資的50％，能夠滿足多國電網基荷和調峰的需要。而且作為一個新的移動核動力裝置，反應堆壓力容器臥式放置搭配燃氣輪機，具有重量輕、啟動快和形體適用性強等優點。

    1、新型高溫氣冷堆成熟技術——規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困難，在堆內的輻照變形出現間隙和振動問題也難以解決。球形燃料堆運行過程中所有燃料球都在不停的旋轉和移動，會產生大量石墨粉，具有一定的安全隱患，且高溫下燃料球移動特性尚不完全清楚，很可能在某些邊角處有結晶化傾向，造成移動速度過慢，引發超燃耗限值，產生不應有的放射性釋放。此外，燃料球移動會導致軸向功率分布嚴重不均，使平均功率降低50%以上。

    田嘉夫教授與團隊結合上述兩種堆型存在的問題，提出一種新型高溫氣冷堆成熟技術——規則床模塊式高溫氣冷堆。規則床模塊高溫氣冷堆將燃料球在堆芯的隨機堆積轉變成有序排列，采用球床高溫氣冷堆同樣的燃料球，適用于同樣的強放射性環境。如何使燃料球從堆頂落入堆芯后形成規則堆積？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則堆積（圖1）。這時圍成堆芯的側壁呈正方形、長方形或是八角形。這種改進能全面提升反應堆性能和參數，排除球形燃料堆設計中的不確定因素，簡化堆體結構和運行方式，使燃料裝卸運輸和貯存發生重大變化。特別是它能建立一種燃料元件在大小堆循環利用的方法，使小堆燃料成本大大降低。

圖1  規則床堆積原理示意圖

    規則床高溫氣冷堆的設計性能（單堆功率、輸出溫度和熱電轉換效率等）都接近和高于柱狀燃料堆，設計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，以及配套的風機等設備，堆芯直徑3 m，堆芯高8m，在現有安全限值下，熱功率可以達到400 MW。

圖2  規則床模塊式高溫氣冷堆結構示意圖

    2、高溫氣冷堆與天然氣燃氣輪機相結合的雙燃料新型發電模式

    采用燃氣蒸汽聯合循環可以高效利用燃料，是目前世界電力工業發展的一個趨勢，但我國天然氣資源有限，限制了這種能源技術的大規模發展。核能對于減少溫室氣體排放和治理環境污染具有重要意義，但核能電廠投資成本較大，且由于發生事故的后果嚴重，安全問題一直是制約核電發展的一個重要因素。田嘉夫教授與團隊針對上述兩種能源技術上的優勢及限制因素，在現有成熟技術基礎上，提出將規則床高溫氣冷堆與天然氣燃氣輪機組合成核-氣雙源發電廠，該方案技術成熟且具有較高的性價比。

    “核-氣雙源發電”工藝流程如圖3所示，空氣被壓縮后首先由核能加熱，即通過氦氣與壓縮空氣熱交換，被加熱至800℃后，再進入天然氣燃燒室及燃氣蒸汽聯合循環系統。聯合循環的流量和壓比等設計參數需要考慮與核能聯合的新特點，其中壓縮機最好有中間冷卻，獲得壓比高和溫度低的參數，將更有利于核能的應用。

圖3　核能燃氣蒸汽聯合循環系統

    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，燃氣輪機初溫可以達到1380℃，燃氣蒸汽聯合循環的熱電效率能夠達到60％。核能燃氣蒸汽聯合循環可以采用核能小堆基本負荷運行、核-氣雙源發電廠滿功率運行、核-氣雙源發電廠調峰運行三種運行方式。

    （1）核能小堆基本負荷運行

    核能燃氣蒸汽聯合循環的基礎是高溫氣冷堆配合空氣布雷頓循環，是一個典型的小堆設計，不加入其他燃料時只消耗核燃料，適合供應基本負荷。燃氣輪機的初溫為800℃，配備專用的低參數燃氣蒸汽聯合循環機組，以熱電效率40％發電。核能小型堆機組的熱功率400 MW，電功率160 MW。與小型壓水堆相比，它的特點是具有固有安全性，在斷電事故時，即使控制棒不動作，也能停堆和排出余熱，不會出現堆芯熔化事故。它的包覆顆粒燃料，雖然燃料 U-235富集度較高，但燃耗深度可能達到120000 MWD/tU以上，具有較高的燃料利用率。核能小堆基本負荷運行與其他大型核電站相比，具有優越的安全性和經濟性。燃氣蒸汽聯合循環的許多優點也都能顯現出來，特別是需要的冷卻水量少，廠址更容易選擇。

    （2）核-氣雙源發電廠滿功率運行

    在具有天然氣源的地區，以上述小堆為基礎，在燃燒室加入天然氣，以核-氣雙源方式運行。假定燃燒功率也是400 MW，燃氣輪機初溫可達到1380℃，聯合循環將以60％效率產生電力。一套裝置的電功率就能達到480 MW。如果以兩座小堆聯合幾臺燃氣輪機和蒸汽輪機，則成為960 MW的大型發電站。這種核-氣雙源運行的大型發電站，與1000 MW級的核電站相比，安全性大幅提高，同時降低了投資，具有1000 MW發電能力，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-氣雙源發電廠調峰運行

    由于系統內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，能在極短時間內將功率提升到所需水平，這種特性正是電網調峰所需要的。因此，核能燃氣蒸汽聯合循環以核能供應基本負荷，以天然氣供應尖峰負荷，成為既能帶基荷又能調峰的機組，電網對此有廣泛需求。特別是將核能、天然氣配合風能以組合形式建設，核能和風能滿足基本電力需要，當風力不足時，由少量天然氣補充，這樣可以避免“棄風”，更有效地發揮風力可再生能源效益。