小型模塊化反應(yīng)堆發(fā)展趨勢及前景

周藍(lán)宇+齊實(shí)+周濤

摘 要：大型核電廠前期投入高、建造時(shí)間長、選址要求高，對(duì)核能發(fā)展產(chǎn)生限制。結(jié)合我國的基本情況，從小堆的發(fā)展現(xiàn)狀、現(xiàn)有類型出發(fā)，對(duì)小堆的發(fā)展前景和趨勢進(jìn)行分析。小型反應(yīng)堆具有體積小，功率比大，適應(yīng)性好等特點(diǎn)，可以很好的彌補(bǔ)以上核電廠缺點(diǎn)，且適應(yīng)領(lǐng)域廣泛，發(fā)展方向眾多，未來有重要應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：小堆；發(fā)展現(xiàn)狀；現(xiàn)有類型；應(yīng)用前景

中圖分類號(hào)：TM623 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）21-0195-02

隨著全球能源日益緊張，核能作為可靠的清潔能源得到越來越多的重視。由于大型商業(yè)化反應(yīng)堆存在建造周期長，建設(shè)成本高等問題，小型化反應(yīng)堆成為核能發(fā)展的一種新的途徑。

根據(jù)反應(yīng)堆功率大小，國際原子能機(jī)構(gòu)[1]將電功率小于300MW的反應(yīng)堆成為小型堆。小型核反應(yīng)堆[2][3]由于其體積小、價(jià)格低、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢[4][5]被各國廣泛關(guān)注。結(jié)合我國目前狀況，分析小堆特點(diǎn)及發(fā)展趨勢，拓展應(yīng)用，對(duì)我國能源及其他工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的有特別重要的價(jià)值。

1 小堆定義

小堆，是“小型先進(jìn)模塊化多用途反應(yīng)堆”的一種簡稱。其顯著特點(diǎn)為功率小、建設(shè)周期短、布置靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、選址成本，因此小堆得到廣泛應(yīng)用。小堆的流程如圖1所示。

從圖1中可知，小堆堆芯內(nèi)置蒸汽發(fā)生器，可以較高的提高蒸汽利用效率，大大提高經(jīng)濟(jì)性。另外，由于小堆的功率小，以及其一體化設(shè)計(jì)，可以大大降低占地空間。除常規(guī)地區(qū)外，還可應(yīng)用于海上核動(dòng)力裝置和空間核動(dòng)力裝置。

2 小堆發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 各國小堆發(fā)展現(xiàn)狀

由于小堆具有諸多優(yōu)點(diǎn)，美國、俄羅斯、韓國等國家都在大力發(fā)展小堆。各國小堆的基本情況如表1所示。

從表1中可知，各國小堆目前設(shè)計(jì)多數(shù)堆芯為壓水反應(yīng)堆。另外，熔鹽堆等新型堆主要在概念設(shè)計(jì)階段。目前，巴威公司的mPower反應(yīng)堆在美國受到推崇，打算與2022年實(shí)現(xiàn)原型堆。在俄羅斯，有5種不同的小堆原型堆正在同步研發(fā)。打算率先應(yīng)用于KLT40s浮動(dòng)核電站。與此同時(shí)，韓國完成了功率為330MW的SMART堆的設(shè)計(jì)工作，并做了大量安全分析工作，打算應(yīng)用于工程建造。

2.2 我國小堆發(fā)展現(xiàn)狀

在我國，中國核工業(yè)集團(tuán)公司、中國廣核集團(tuán)公司、國家電力投資集團(tuán)公司、清華大學(xué)、中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所等單位都在開展小堆的前期工作。甚至中船重工集團(tuán)也涉足其中，進(jìn)行了海洋核動(dòng)力平臺(tái)的研發(fā)，初步形成了25MW、50MW、75MW、100MW不同功率匹配的海洋核動(dòng)力平臺(tái)方案。在我國，小堆設(shè)計(jì)多重多樣，競相開放。中核集團(tuán)投入5億余元進(jìn)行ACP100的研發(fā)工作，目前已經(jīng)轉(zhuǎn)入工程設(shè)計(jì)階段。打算在福建莆田市進(jìn)行示范工程建設(shè)，建設(shè)兩臺(tái)100MW的機(jī)組。其關(guān)鍵設(shè)備和軟件均實(shí)現(xiàn)自主化。中國廣核集團(tuán)設(shè)計(jì)了ACPR100和ACPR50S，打算應(yīng)用于海上浮動(dòng)平臺(tái)。國家電投集團(tuán)中主營核電板塊的國家核電技術(shù)公司也正在積極研發(fā)自己的小堆“CAP150”。中科院核能安全技術(shù)所在鉛鉍反應(yīng)堆基礎(chǔ)上，正在積極開發(fā)只有集裝箱大小的“核電寶”。

3 小堆類型

3.1 輕水反應(yīng)堆

小型模塊化反應(yīng)堆[5]多數(shù)以現(xiàn)有的反應(yīng)堆堆型為基礎(chǔ)進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，因此，作為重要商用堆型的壓水反應(yīng)堆，小型輕水反應(yīng)堆也是一種重要的類型。目前，大部分的輕水反應(yīng)堆設(shè)計(jì)采用壓力容器內(nèi)置蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)即一體化壓水反應(yīng)堆如圖2所示。

從圖2知，現(xiàn)有的壓水堆采用了非能動(dòng)的設(shè)計(jì)安全理念，小型輕水反應(yīng)堆的安全性可以得到保障。也是比較好的堆型。其中，我國的NHHR-200是一個(gè)簡單而耐用的200MWt一體化壓水堆，其主要設(shè)計(jì)用途為海水淡化和部分地區(qū)供熱。

3.2 高溫氣冷反應(yīng)堆

目前，華能集團(tuán)聯(lián)合清華大學(xué)進(jìn)行高溫氣冷堆堆芯[6]的設(shè)計(jì)。清華大學(xué)在高溫氣冷反應(yīng)堆方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，其在北京市昌平區(qū)建有原型反應(yīng)堆。另外，山東石島灣的高溫氣冷堆示范工程也在建設(shè)中。高溫氣冷堆如圖3所示。

從圖3可知，高溫氣冷堆能提供高溫（達(dá)到950℃）氦氣通過熱交換進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用或直接驅(qū)動(dòng)氣輪機(jī)發(fā)電（布雷頓循環(huán)），產(chǎn)生接近50%的效率。同時(shí)，由于高溫氣冷堆燃料原件設(shè)計(jì)的合理性，使其固有安全性大大的提高，因此，小型化的高溫氣冷堆在海洋平臺(tái)得到廣泛的應(yīng)用。

3.3 熔鹽反應(yīng)堆

熔鹽反應(yīng)堆[7]由美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室首先提出，最開始設(shè)想將其應(yīng)用于核動(dòng)力航空飛機(jī)，這種反應(yīng)堆堆芯結(jié)構(gòu)十分簡單，運(yùn)行過程中可以連續(xù)添加燃料和去除裂變產(chǎn)物，在熔鹽反應(yīng)堆里，燃料是鋰氟化物鹽以及溶解的釷和233U的氟化物的熔融混合物。熔鹽堆如圖4所示。

從圖4可以看到，一回路的熱量被傳遞到二回路后，裂變產(chǎn)物溶解在熔鹽里，繼續(xù)持續(xù)的轉(zhuǎn)換。由于熔鹽堆設(shè)計(jì)的合理性和運(yùn)行中連續(xù)去除裂變產(chǎn)物和添加燃料，有效的減少停堆次數(shù)，因此，熔鹽堆在空間小堆方面也得到應(yīng)用。

4 小堆的應(yīng)用前景及發(fā)展趨勢

4.1 小堆的應(yīng)用前景

小型模塊化反應(yīng)堆除了具有傳統(tǒng)反應(yīng)堆單一的發(fā)電功能以外，還有許多的工業(yè)用途。其主要表現(xiàn)為熱電聯(lián)產(chǎn)、工業(yè)供熱和海水淡化等。其最大的市場優(yōu)勢在于其固有的高安全性和高效率的熱、電聯(lián)產(chǎn)能力。具有很好地經(jīng)濟(jì)性，能夠滿足不同用戶的需要。正因如此，小堆除了可以為城市供電外，還可以熱電聯(lián)產(chǎn)、提供海上及海島核動(dòng)力、空間核動(dòng)力等。

4.2 國外小堆的應(yīng)用發(fā)展趨勢

在過去幾年中，小堆項(xiàng)目得到了很大的進(jìn)展。世界各國都在積極發(fā)展小堆。其中，阿根廷的CAREM-25和俄羅斯的KLT-40S小堆示范工程已經(jīng)開始建設(shè)，其中小堆采用模塊化建設(shè)，每個(gè)模塊最大發(fā)電能力為10萬千瓦，一個(gè)核電廠包含2-6個(gè)模塊，這些模塊可以根據(jù)具體的廠址進(jìn)行合理的安放，具有靈活性。

4.3 中國小堆的應(yīng)用發(fā)展趨勢

目前，我國已經(jīng)有多個(gè)省份打算進(jìn)行小堆建設(shè)。根據(jù)各省地理?xiàng)l件的不同，小堆用途也不盡相同。其中，福建等沿海省份主要采用小堆進(jìn)行海水淡化處理，南海島礁等主要采用小堆進(jìn)行海水淡化和熱電聯(lián)產(chǎn)。吉林等高緯度省份主要采用小堆進(jìn)行供熱，江西和湖南等內(nèi)陸省份由于缺少煤炭等化石能源，電力發(fā)展不平衡，由于小堆選址和經(jīng)濟(jì)性較好，也得到了廣泛的應(yīng)用。

5 結(jié)束語

由于小型反應(yīng)堆采用一體化結(jié)構(gòu)和非能動(dòng)等安全理念，具有較好的安全性；其結(jié)構(gòu)小，模塊化安裝等優(yōu)勢可以廣泛應(yīng)用于空間和海上浮動(dòng)平臺(tái)。在當(dāng)今的環(huán)境下，發(fā)展小堆是我國能源發(fā)展的選擇之一。

參考文獻(xiàn)：

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[3]Benjamin Vegel， Jason C. Quinn. Economic evaluation of small modular nuclear reactors and the complications of regulatory fee structures [J]. Energy Policy， 2017（104）：395-403.

[4]陳文軍，姜?jiǎng)僖?中國發(fā)展小型堆核能系統(tǒng)的可行性研究[J].核動(dòng)力工程，2013，34（2）：153-156.

[5]邱志方，鄧堅(jiān)，陳宏霞，等.模塊式小堆超壓風(fēng)險(xiǎn)及設(shè)計(jì)優(yōu)化研究[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2016，50（1）：113-117.

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