美國高溫氣冷堆現(xiàn)狀

Andrew C.Kadak

Kadak Associates, Inc., Port St.Lucie, FL 34952, USA

美國高溫氣冷堆現(xiàn)狀

Andrew C.Kadak

Kadak Associates, Inc., Port St.Lucie, FL 34952, USA

a r t i c l e i n f o

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Received 3 November 2015

Revised 3 March 2016

Accepted 8 March 2016

Available online 31 March 2016

高溫氣冷堆

下一代核電站

許可證申請

(美國)核管理委員會

《2005年能源政策法案》

研究現(xiàn)狀

2005年，美國國會通過了《2005年能源政策法案》，該法案授權(quán)在2021年之前建造和運行一個高溫氣冷堆(HTGR)。在美國國內(nèi)專家對未來核技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了多年的研究后，該法案才得以通過。作為該法案的結(jié)果，美國國會設(shè)立了名為“下一代核電站”的項目，這是一種為制氫提供工藝用熱的HTGR。盡管HTGR被寄予了很高的期望，但其現(xiàn)狀僅限于完成關(guān)于先進(jìn)燃料、石墨和其他材料的研究計劃，并不是如國會在2005年提出的建造一個示范電站。HTGR發(fā)展目標(biāo)降低背后有許多原因，包括：用于研究的政府資金不足，對反應(yīng)堆不切實際的高溫要求，對“氫”經(jīng)濟需求的延遲，來自輕水冷卻的小型模塊反應(yīng)堆的競爭，業(yè)主公司對新技術(shù)的興趣較低，美國天然氣價格過低，以及美國對非水冷反應(yīng)堆許可證申請的具有挑戰(zhàn)性的流程等。

? 2016 THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1.引言

2002年12月，美國能源部(DOE)發(fā)布了《第四代核能系統(tǒng)技術(shù)路線圖》[1]，其概述了許多未來核電能源的選擇。這項研究成果是第四代國際論壇工作的一部分，是論壇各成員國愿意發(fā)展國際合作而選擇開發(fā)的技術(shù)。美國選擇了氦氣冷卻的高溫氣冷堆用于工藝熱應(yīng)用和電力生產(chǎn)。由于這項決定，美國國會通過了《2005年能源政策法案》(公開法律編號：109-58)[2]，為被稱為“下一代核電站”(NGNP)的項目籌集資金，并且要求在2021年9月30日之前實現(xiàn)此電站的運行。愛達(dá)荷國家實驗室被指定為國家?guī)ь^實驗室，協(xié)調(diào)高溫氣冷堆(HTGR)技術(shù)的研究和發(fā)展。美國和南非的核產(chǎn)業(yè)界采用共享技術(shù)開發(fā)的方式參與了此項目的研究和發(fā)展。

該項目取得了卓越的初步進(jìn)展，兩類可選HTGR被開發(fā)和研究。這兩項候選技術(shù)分別為在南非與西屋公司共同開發(fā)的球床模塊反應(yīng)堆(PBMR)和由通用原子公司與阿?，m集團共同開發(fā)的柱狀HTGR設(shè)計。產(chǎn)業(yè)界形成了NGNP產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟[3]，由對HTGR開發(fā)感興趣的產(chǎn)業(yè)合作伙伴組成。除供應(yīng)商外，這些合作伙伴還包括陶氏化學(xué)公司和康菲石油公司，以及NGNP技術(shù)的潛在用戶。在這期間，33個產(chǎn)業(yè)合作伙伴加入了NGNP產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。

在過去十年里，產(chǎn)業(yè)界花費了超過10億美元發(fā)展該技術(shù)，而美國DOE花費了超過5億美元支持研究和技術(shù)開發(fā)[3]。DOE提供的資金主要花費在由愛達(dá)荷國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室開展的燃料開發(fā)、石墨認(rèn)證和材料研究方面。產(chǎn)業(yè)界的工作主要集中在核電站和工藝用熱生產(chǎn)設(shè)施的概念設(shè)計。

雖然NGNP項目考慮過球床式和柱狀HTGR，但是在南非由西屋公司設(shè)計的PBMR項目被撤回，DOE選擇了柱狀HTGR設(shè)計作為NGNP的參照電站。

2011年，在核能顧問委員會的建議下[4]，能源部部長Steven Chu (朱棣文)決定將NGNP項目的范圍縮小到僅包含研發(fā)項目，忽略所有的設(shè)計活動，這就導(dǎo)致國會批準(zhǔn)的電站運行日期(2021年)不可能實現(xiàn)?？s小項目范圍的主要原因之一是無法與產(chǎn)業(yè)界就以何種共同出資方式支持后續(xù)工作的問題達(dá)成一致。如一封寫給能源部部長的信中所述[5]，產(chǎn)業(yè)界提出了一種集中于產(chǎn)業(yè)化的投資方式，即支持項目建設(shè)，而不是支持衡量設(shè)計所需的基礎(chǔ)研究。表1[5]給出了具體的出資建議，包括一旦設(shè)計可進(jìn)行建造和獲得許可，就會有相當(dāng)多的私營部門投資。

DOE或政府分擔(dān)的投資總額為19.25億美元，而私營部分為36.21億美元。政府無法同意這種出資方式。NGNP產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟又提出了一種與商業(yè)風(fēng)險相對應(yīng)的階段性伙伴關(guān)系計劃：政府將資助第1階段的研發(fā)工作；階段2解決初步設(shè)計和獲得許可的問題，資助比例為政府占80 %和產(chǎn)業(yè)界占20 %；最后的建設(shè)階段3將完全由產(chǎn)業(yè)界提供資金。這個建議沒有達(dá)成共識，最終導(dǎo)致電站建設(shè)上的停滯不前。當(dāng)時，產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟有33家公司，它們對推動NGNP發(fā)展都很感興趣，但沒有一家公司在沒有簽署必要的研究和許可證申請協(xié)議的情況下愿意承諾修建電站，因為在政府資助和獲得核管理委員會(NRC)批準(zhǔn)方面存在很高的風(fēng)險。該聯(lián)盟目前仍在積極支持推動美國HTGR的發(fā)展。

盡管DOE未遵守修建NGNP的承諾，但是從2006年至今還是完成了大量的技術(shù)工作。在NGNP網(wǎng)站上可找到關(guān)于NGNP的所有公開報告 [6]。

2.技術(shù)成就

這些技術(shù)成就的亮點總結(jié)如下。

2.1.先進(jìn)氣冷堆(AGR)燃料

DOE的先進(jìn)氣冷堆(AGR)燃料開發(fā)項目[7]由David Petti博士領(lǐng)導(dǎo)，愛達(dá)荷國家實驗室開發(fā)了一種由三結(jié)構(gòu)同向性型(TRISO)包覆的鈾碳氧化物(UCO)燃料組成的AGR燃料。該燃料具有多種特性，包括：燃耗范圍為150～200 GWd·(MTHM)-1，時均溫度峰值為1250 ℃，每個初始重金屬原子的裂變量(FIMA)為19.4 %[8]。這種燃料在愛達(dá)荷國家實驗室已經(jīng)過各種輻照試驗。圖1[9]總結(jié)了三種AGR①AGR燃料壓塊指定了編號，用來表示輻射、安全試驗、輻射后評估的種類和壓塊將進(jìn)行的試驗的種類[8]。測試的結(jié)果。

AGR1輻照試驗下燃料失效率為零。圖2 [9]顯示了AGR燃料壓塊6-4-3在一項1600℃試驗中裂變產(chǎn)物釋放的結(jié)果。除了110mAg，鈾碳氧化物TRISO包覆顆粒的安全性能與以前生產(chǎn)的包覆顆粒相比提高了不止7倍。

AGR2試驗已經(jīng)完成，而AGR3/4和AGR5/6/7試驗還在進(jìn)行中。試驗?zāi)康氖谴_定故意失效的燃料中裂變產(chǎn)物的釋放。這些試驗將被用于從HTGR中定量化源項，以進(jìn)行事故分析和應(yīng)急計劃區(qū)規(guī)劃。盡管DOE決定放棄示范電站的開發(fā)，但燃料開發(fā)項目仍在繼續(xù)進(jìn)行。這些結(jié)果將被用于未來HTGR的設(shè)計。

2.2.石墨開發(fā)和質(zhì)量鑒定

未來的HTGR將需要大量石墨作為堆芯反射層和中子慢化劑。因此必須充分了解生產(chǎn)的石墨的材料來源和性質(zhì)，特別是高溫和輻照情況下石墨的反應(yīng)。此外，為了安全目的，還必須了解進(jìn)空氣和進(jìn)水情況下被輻照過的石墨的反應(yīng)。目前，愛達(dá)荷國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室與歐洲的多個試驗機構(gòu)合作，針對多種石墨類型進(jìn)行了眾多測試與研究。2000多個石墨樣品被指定為先進(jìn)石墨蠕變(AGC)試驗系列的一部分。基于這些試驗，開發(fā)了分析模型，以預(yù)測石墨在正常運行狀態(tài)和事故狀態(tài)下的反應(yīng)。石墨質(zhì)量鑒定的規(guī)范案例正由美國機械工程師學(xué)會(ASME)進(jìn)行，采用美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)的質(zhì)量鑒定方法。這項工作的目的是當(dāng)美國準(zhǔn)備建造HTGR時，開發(fā)出可用于HTGR的石墨的標(biāo)準(zhǔn)。

表 1 政府資助和私營部門投資份額預(yù)估[5] 單位：百萬美元

2.3.高溫材料質(zhì)量鑒定

在美國，NGNP初始設(shè)計要求的依據(jù)是其產(chǎn)生足夠用于熱化學(xué)高效制氫的高溫的能力。超高溫反應(yīng)堆(VHTR)需要超過950 ℃的溫度。當(dāng)時沒有符合規(guī)范要求的金屬能夠被應(yīng)用于這種高溫反應(yīng)堆中。雖然仍然在追求制氫的目標(biāo)，但隨后的近期開發(fā)集中于在750～850 ℃的溫度范圍內(nèi)可用的符合規(guī)范的金屬。研究方案中包括兩種材料，分別是合金617和合金800H。人們?yōu)榈玫街С諥SME規(guī)范案例的試驗數(shù)據(jù)做了大量努力，以擴大合金617的可用范圍，使其在950 ℃高溫運行的反應(yīng)堆上作為壓力邊界材料；同時擴大合金800H的可用范圍，使其可用溫度和時間分別達(dá)到850 ℃和500 000 h。這些質(zhì)量鑒定試驗得出的數(shù)據(jù)被用來開發(fā)兩種合金反應(yīng)的模型，以覆蓋大范圍的溫度、應(yīng)變率及荷載條件。這項工作目前仍在進(jìn)行中。

3.設(shè)計和安全方法

圖 1.德國和美國TRISO燃料輻照歷史數(shù)據(jù)比較，AGR1和AGR2輻照結(jié)束時85mKr①85mKr R/B 是一種與釋放裂變產(chǎn)物相關(guān)的燃料質(zhì)量測量值。該數(shù)值越小，燃料越佳。裂變氣體的釋放[9]。

未來HTGR的設(shè)計、開發(fā)和許可證申請的關(guān)鍵領(lǐng)域是堆芯物理、熱工水力和熱傳遞的分析工具的驗證與確認(rèn)(V&V)。包含不確定性分析和比例分析的程序代碼基準(zhǔn)驗證是質(zhì)量鑒定的關(guān)鍵組成。美國為了支持設(shè)計和許可證申請活動，已經(jīng)和多所大學(xué)簽訂了協(xié)議，對分離效應(yīng)和整體試驗進(jìn)行多方面測試。在NGNP不再考慮球床高溫氣冷堆之后，柱狀反應(yīng)堆被選為參照設(shè)計。俄勒岡州立大學(xué)打造了一套整體效應(yīng)試驗設(shè)施(稱為高溫試驗設(shè)施，HTTF)，將對熱傳遞、流動和事故模擬的基礎(chǔ)特性進(jìn)行試驗。阿貢國家實驗室修建了自然循環(huán)停堆試驗設(shè)施，為驗證堆腔冷卻系統(tǒng)的性能提供數(shù)據(jù)。美國許多高校正在進(jìn)行分離效應(yīng)試驗，以幫助了解在正常運行、運行瞬態(tài)和故障狀態(tài)下的現(xiàn)象。圖3[9]總結(jié)了多個有計劃或正在進(jìn)行的試驗。

除了驗證熱工水力和熱傳導(dǎo)的程序代碼，人們還做了大量工作[9]來研究堆芯模擬方法。作為多物理物體導(dǎo)向模擬環(huán)境(MOOSE)的一部分，新程序代碼正在被開發(fā)，以實現(xiàn)基于高保真有限元的3D模擬。這些新工具將取代目前正在使用的老舊擴散理論程序，如VSOP。對程序代碼包的改進(jìn)包括：燃耗計算過程中的熱中子反饋，更新、修改RELAP-3D以便用于氣冷堆的分析。通過與經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)的合作，已經(jīng)為350 MW模塊高溫氣冷堆(MHTGR-350)確立了幾個堆芯物理的基準(zhǔn)；通過與國際原子能機構(gòu)(IAEA)合作，也成功確立了若干基準(zhǔn)。

更多的方法研究關(guān)注的是柱狀反應(yīng)堆設(shè)計，因為它與球床反應(yīng)堆設(shè)計相比更為復(fù)雜。本項工作未來將面臨的挑戰(zhàn)包括：研究石墨的中子散射及重金屬的彈性散射，石墨熱性能的輻射損傷效應(yīng)，停堆控制棒的空腔效應(yīng)，球床內(nèi)燃料球的非軸向流動和堆芯反射層界面的熱傳導(dǎo)性。另外也需要高燃耗堆芯物理截面和進(jìn)氣進(jìn)水研究的數(shù)據(jù)來滿足一些目標(biāo)，以支持在美國的許可證申請活動。所有這些工作都需要DOE的資金幫助。

圖 2.AGR1燃料壓塊6-4-3在1600 ℃加熱試驗中的裂變產(chǎn)物釋放 [9]。

圖 3.NGNP用于軟件驗證的熱流體V&V矩陣[9]。符號：+, 直接可驗證關(guān)鍵現(xiàn)象的數(shù)據(jù)；O，數(shù)據(jù)部分適用；-，不適用；P，計劃活動。

4.許可證申請現(xiàn)狀

由于DOE決定推遲NGNP的部署，許可申請工作已經(jīng)被延期。盡管已和NRC開展了許多討論，并且就關(guān)鍵話題也編制了很多白皮書，但在關(guān)鍵問題的解決方面仍沒有太多進(jìn)展，這些問題包括：安全殼性能要求、源項、許可申請基準(zhǔn)事件的選擇和應(yīng)急預(yù)案。通過與NGNP產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的合作，NGNP項目向NRC提交了一項針對商業(yè)電站的風(fēng)險指引許可證申請策略和安全基礎(chǔ)的提議[10]。NGNP團隊根據(jù)現(xiàn)有的輕水反應(yīng)堆標(biāo)準(zhǔn)對2500個單獨的監(jiān)管要求進(jìn)行了檢驗，完成了監(jiān)管差距的分析。愛達(dá)荷國家實驗室提交了大量白皮書以期解決這些問題[11-13]。NRC審閱了這些文件[14,15]，但沒有對這些會影響將來設(shè)計的關(guān)鍵問題作出任何正式?jīng)Q定，因此示范電站的設(shè)計無法進(jìn)行。

NGNP示范電站的推遲也減慢了人們?yōu)榻鉀Q關(guān)鍵問題所做努力的進(jìn)度。對于非水冷反應(yīng)堆的許可證申請，可采取風(fēng)險指引或基于風(fēng)險的辦法，但NRC尚未給出有關(guān)適當(dāng)解決途徑的結(jié)論。對于類似于HTGR的具有固有安全特性的先進(jìn)反應(yīng)堆來說，縱深防御到底意味著什么？這個關(guān)鍵問題尚未得到解決。

5.工業(yè)界的活動

如上文所述，工業(yè)界和相關(guān)供應(yīng)商，如通用原子公司、阿海琺集團和西屋公司，均在DOE的支持下開發(fā)了NGNP所需關(guān)鍵部件的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，包括發(fā)電和制氫。雖然愛達(dá)荷國家實驗室和工業(yè)界對制氫已經(jīng)開展了大量研發(fā)工作，但人們對氫氣的感興趣程度已經(jīng)大大降低，因為美國天然氣價格便宜，且供應(yīng)量充足。

工業(yè)界的研究重點為整個發(fā)電/制氫廠的預(yù)概念設(shè)計，包括中間換熱器、功率大小、概念驗證研究所需的試驗設(shè)施、熱傳遞和壓力容器設(shè)計研 究中的設(shè)計要求和挑戰(zhàn)，也包括各部件的試驗計劃，如主循環(huán)風(fēng)機、停堆冷卻熱交換器、控制棒和反應(yīng)堆保護系統(tǒng)的設(shè)計等。

由于工程設(shè)計工作的擱置，許多此類研究被中止。但是，一旦NGNP項目重啟，這些研究得到的已有信息和報告將會十分有用。超過160份出版物、設(shè)計研究和研究報告可被用于將來的項目[6]。依賴政府的資助，關(guān)于先進(jìn)TRISO包覆燃料顆粒的研究、兩種反應(yīng)堆級石墨源的質(zhì)量鑒定和用于許可證申請的有限的方法開發(fā)將會繼續(xù)。圖4[9]顯示了在擬定的研發(fā)計劃基礎(chǔ)上的預(yù)計資金需求。可明確的一點是，不可能完成《2005年能源政策法案》中所設(shè)的到2021年NGNP實現(xiàn)運行的計劃。

將納入研究結(jié)果的基礎(chǔ)電站的設(shè)計和開發(fā)工作不包括于資助計劃內(nèi)，它需要經(jīng)DOE和美國國會的批準(zhǔn)。在美國國會和NGNP產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟就NGNP的需求和資助方式達(dá)成一致前，不期望有重大進(jìn)展。

除了政府資助的研發(fā)，至少有兩個①由Robert Galvin (Galvin Nuclear Energy公司)贊助的第三個項目，這是一座100 MWe高溫氣冷堆，采用氣體渦輪動力發(fā)電，在概念設(shè)計階段暫停。 包括但不僅限于具有以下特征：不會熔化的反應(yīng)堆，操作簡單，換料不需要停堆，模塊化，源項小，功率密度低，熱效率較高，以及由于具有安全性不需要場外應(yīng)急計劃等。私人資助的氣冷堆項目正在進(jìn)行：一個是基于球床的衍生設(shè)計，另一個是柱狀快中子氣冷堆設(shè)計[16]。X-Energy-100TM[17]是一個小型的50 MWe高溫氣冷堆設(shè)計方案，采用蒸汽發(fā)電方式，以南非和中國正在發(fā)展的高溫氣冷堆為原型。X-Energy最近獲得了來自DOE的600萬美元獎勵，這是DOE采取公私合作伙伴關(guān)系發(fā)展先進(jìn)反應(yīng)堆概念行動的一部分。

StarCore Nuclear [18]是一個正在加拿大開發(fā)的50 MWth的高溫氣冷堆，可發(fā)電20 MWe，另10 MWth熱能被用于工藝熱應(yīng)用。這兩種技術(shù)都處于概念設(shè)計階段。StarCore的特點是：分批加燃料，每五年更換一次整體反應(yīng)堆容器筒，在衛(wèi)星監(jiān)測下自主運行，占地面積很小，可用于偏遠(yuǎn)地區(qū)。X-Energy電站設(shè)計更常規(guī)，采用球床堆芯和一個蒸汽發(fā)生器，能生產(chǎn)50 MWe電能，若用4～6個模塊，整體凈發(fā)電量超過200 MWe。目前商業(yè)化或示范站的計劃還屬未知，但看到除中國之外還有高溫氣冷堆的持續(xù)發(fā)展仍很受鼓舞。

通用原子公司的能量乘法器模塊(EM2)是一種氦氣冷卻快中子反應(yīng)堆，凈輸出電量為265 MWe[19]。作為一個快中子反應(yīng)堆，它應(yīng)用了增殖和燃燒原理，可以實現(xiàn)理論上30年內(nèi)不換料、不倒料。該電站使用氣體渦輪動力和有機觸底循環(huán)，可產(chǎn)生265 MWe的凈電量。

6.結(jié)論

圖 4.完成愛達(dá)荷國家實驗室研發(fā)范圍的擬定時間表[9]。

作為由美國國會單獨積極推動的項目，第一個NGNP示范電站的進(jìn)度明顯減緩。雖然原因多種多樣，但延遲的主要原因是，DOE和產(chǎn)業(yè)界無法就支持電站所需的研發(fā)、設(shè)計和建設(shè)的合理資助方式達(dá)成一致。由于缺乏這樣的協(xié)議，產(chǎn)業(yè)界不愿為該項目開發(fā)的研究方面提供資金。產(chǎn)業(yè)界也關(guān)心政府是否做出必要的長期資助承諾，以確保項目完成，因為目前該項目需要每年都進(jìn)行預(yù)算審批。盡管產(chǎn)業(yè)界有興趣，但不得不說的是沒有任何一個公司愿意成為支持建立電站的主要贊助商。

科研人員在以下方面已經(jīng)做了大量的優(yōu)質(zhì)技術(shù)工作：用于未來電站設(shè)計的先進(jìn)燃料、石墨、材料的開發(fā)，以及許可申請工作。已與NRC開展了重要討論，盡管沒有得出設(shè)計所需的最終結(jié)論。在NRC和開發(fā)者就風(fēng)險指引的應(yīng)用和基于風(fēng)險的監(jiān)管達(dá)成協(xié)議前，HTGR明確的安全優(yōu)勢①由Robert Galvin (Galvin Nuclear Energy公司)贊助的第三個項目，這是一座100 MWe高溫氣冷堆，采用氣體渦輪動力發(fā)電，在概念設(shè)計階段暫停。 包括但不僅限于具有以下特征：不會熔化的反應(yīng)堆，操作簡單，換料不需要停堆，模塊化，源項小，功率密度低，熱效率較高，以及由于具有安全性不需要場外應(yīng)急計劃等。還不能得到認(rèn)證，為保證高安全水平，設(shè)計的成本會比實際需要的高。在美國還有很多工作要做，不僅必須完成支持許可證申請的技術(shù)和方法的研究，而且在該改進(jìn)型技術(shù)的示范確定前，美國可能會繼續(xù)依賴大型或小型模塊輕水反應(yīng)堆。根據(jù)作者的淺見，美國只能寄希望于中國引領(lǐng)HTGR的商業(yè)化，因為中國正在建造并將運行高溫反應(yīng)堆球床模塊(HTR-PM)示范電站。

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E-mail address: kadak@mit.edu

2095-8099/? 2016 THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engineering 2016, 2(1): 119—123

Andrew C.Kadak.The Status of the US High-Temperature Gas Reactors.Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.01.026