球床模块式高温气冷堆的研究及发展现状

性能
２６５ＭＷ １１７ＭＷ １１４ＭＷ ２０ＭＷ ０ １００％额定 １０ＭＷ／ｍｉｎ １００％ 每 ７２ 个月检修 ３０ 天 ４０ 年 带负荷
８０ １ 亿美元／模块 ４ 美元／ＭＷｈ
２４ 个月 ４００ｍ
核电站 ２００２ 年第 １１ 期
-5-
专论与译文
图 １ 示出了电站的总布局 使用的工艺回路是一种带有闭式循环的水冷式内 部冷却器和预冷却器的标准 Ｂｒａｙｔｏｎ 循环 采用了分离的汽轮压缩机和汽轮发电机 这种分离简化了设计和评审过程 压缩机旁通阀用于短期控制 回路中的所有轴 承都为磁式的 这避免了氦回路的任何污染并减少了维修 反应堆系统位于反应 堆压力容器内侧，汽轮机和热交换器位于电力转换机组内
球床模块式高温气冷堆在下面三个方面体现了其安全特性 １ 阻止放射性释放的多重屏障
球床模块式高温气冷堆的一个基本安全特性是 在所有运行和事故工况下 堆 芯燃料元件的最高温度不超过 １６００ 试验证明 在 １６００ 的温度以下致密的碳 化硅包覆层仍保持其完整性 能使气态和金属放射性裂变产物被阻留在燃料颗粒 内 但是 在燃料元件制造过程中有部分的燃料包覆颗粒会破损 在运行辐照过 程中 又会有部分的燃料包覆颗粒破损 燃料包覆颗粒全部的破损率不大于 １ １０－５ 破损了的燃料包覆颗粒中产生的裂变产物大部分仍被阻留在燃料包覆颗粒内 和石墨基体内 只有相当小的部分通过扩散进入到一回路氦冷却剂中 其中部分 随着放射性衰变 氦净化系统的分离以及在蒸汽发生器 反射层石墨块表面和石 墨粉尘上的沉积而离开冷却剂 存留在一回路冷却剂中的放射性水平是很低的
核电站 ２００２ 年第 １１ 期
-3-
专论与译文
放的事故 并且由于燃料颗粒的破损率低 石墨基体也具有阻留裂变产物释放的 能力 以及一回路内无腐蚀产物的活化 一回路冷却剂的放射性水平很低 在发 生失压事故时 即使一回路冷却剂全部释放到周围环境中 对周围环境造成的影 响也是很小的 因此 在球床模块式高温气冷堆的设计中不设置安全壳 在设计 概念中一回路舱室也起到阻止放射性物质向周围环境释放的作用 即称之为 包 容性 的作用 包容性 功能不同于安全壳的功能 无气密性和承全压的要求 也即 在正常运行工况下 由排风系统保持一回路舱室的负压 以防止一回路 舱室内放射性物质向反应堆建筑内扩散 并且排风需经过滤后由烟囱排出 以尽 量减少对环境的放射性危害 当发生一回路压力边界破坏的冷却剂失压事故 一回路舱室内的压力超过大气压力 １０４Ｐａ 时 自动打开事故排风管道的爆破膜 一 回路舱室内的压力经该排风管道不经过过滤 由烟囱直接排向大气
１ 燃料元件的设计和制造较为简便 ２ 不停堆换料 实现多次再循环 因而功率分布和燃料的燃耗深度都比较 均匀 ３ 采用不停堆换料有利于提高堆的可利用率 ４ 燃料所需的分离功较少 ５ 采用连续换料 无需储备补偿燃耗的反应性 故后备反应性小 较为安 全和经济
２．２ 模块式高温气冷堆安全特点
３ 反应性瞬变的固有安全特性 在模块式高温气冷堆内正反应性引入的事故主要有控制棒误抽出事故 水进入 堆芯事故和含硼吸收小球误排出事故三类假想事故 Ａ． 在功率运行条件下全部控制棒抽出事故 球床模块式高温气冷堆采用连续换料的燃料管理方式 无需在初始堆芯中提 供平衡燃耗的剩余反应性 因此 在功率运行条件下插入堆芯内的控制棒反应性 当量主要用于补偿功率变化和试验样品取出的剩余反应性 其最大的反应性当量 大约为 ２．５ １０－２ 而且其传动机构本身的结构特点确定其控制的误抽出过程不同 于压水堆中的弹棒过程 而是一种正常提升速度的抽出过程 Ｂ． 水进入堆芯事故 当发生蒸汽发生器断管事故时 二回路的水蒸汽将进入到一回路氦冷却剂中 并部分进入到堆芯燃料元件之间的空隙中 造成水进入堆芯的事故 球床模块式 高温气冷堆堆芯的慢化比约为 ８００ 具有欠慢化的物理特性 水进入到堆芯 慢化 能力的增强将造成正反应性的引入 当发生蒸汽发生器断管事故时 水进入一回
美国的三哩岛事故后 在反应堆设计中提出一个关键的问题 就是如何实现 反应堆的固有安全性 使反应堆在任何事故情况下都不会发生核泄漏事故 不会 危及周围的环境 模块式高温气冷堆就是在这样的背景下发展起来的一种新型堆 型 １９８１ 年德国电站联盟 ＫＷＵ 和国际原子能公司 Ｉｎｔｅｒａｔｏｍ 首先提出球床 模块式高温气冷堆的概念 模块式反应堆以小型化和具有固有安全特性为其特征 在冷却剂失流事故下 堆芯余热也可依靠自然对流 热传导和辐射传出 使堆芯 温度上升缓慢 燃料和堆芯仍能保持其完整形态 从根本上排除了堆芯熔化的可 能性 在经济上以其模块化组合施工方式 标准化生产 建造时间短和投资风险 小与其他堆型核电站相竞争
２．３ ＰＢＭＲ 技术研究现状
电厂性能数值如表 １ 所示 利用已经开发的工程仿真器 已经验证了设计的动 力学wenku.baidu.com能
表 １ 电厂性能数值
项目
热功率 最大发电功率 是大配电功率 最小功率 高效率 连续稳定功率范围
变化率 ０ １００ＭＷ 无快速停难的甩负荷 常规检修 电站寿命 燃料移动 １０ 机组场址的人员水平 基建费 燃料费 建造周期 应急计划区
一回路的压力边界是防止放射性物质释放的下一道屏障 一回路压力边界由三 个压力容器所组成 反应堆压力容器 蒸汽发生器压力容器以及联接这两个压力 容器的热力导管压力容器 压力容器发生贯穿破裂的可能性可以排除 但是与上 述压力容器相连管道发生断管的事故却是可能发生的 它被作为设计基准事故给 予了考虑
由于在任何工况下都不会发生燃料元件温度超过 １６００ 而使裂变产物大量释
专论与译文
- 4-
核电站 ２００２ 年第 １１ 期
路引起湿度增加 触发保护系统关闭截止阀 隔离蒸汽发生器 以限制进入一回 路的水量 计算表明 发生水进入堆芯的事故时 所造成的正反应性引入量与上 述的功率运行条件下全部控制棒误抽出事故的正反应性引入量相当
Ｃ． 吸收小球的瞬时排出 在模块式高温气冷堆内除了有反射层的控制停堆系统之外 还有反射层吸收 小球的停堆系统 该系统可以单独地使反应堆保持长时间的冷停堆状态 也即该 系统提供了冷停堆所需要的补偿温度和平衡氙的全部反应性当量 吸收小球停堆 系统依靠重力掉入堆芯活性区段 并依靠气体动力排出堆芯活性区段并回到贮存 罐内 当发生误操作开启气力排球的阀门 在冷停堆状态下 瞬时将吸收小球排 出堆外 造成正反应的引入 但气力排球系统的设计保证一次只能将一个孔道内 的吸收小球排出堆外 最大引入的正反应性当量大约只有 １．５ １０－２ 球床模块式高温气冷堆的设计具有负的燃料和慢化剂的反应性温度系数 大 约为 ８ １０ ５／Ｋ 而且在正常运行工况下燃料元件的最高温度距最高容许温度尚 约有 ７００Ｋ 的裕度 因此借助负反应性温度系统可以提供大约 ５．６ １０－２ 的反应性补 偿能力 均大于上述三类正反应性事故引入的最大反应性当量 也就是说 球床 模块式高温气冷堆完全可以依靠自身的反应性系数的补偿能力实现自动停堆 事 故分析的结果也表明 在发生上述正反应性引入的事故条件下 堆功率上升导致 燃料元件的温度升高 但最高温度仍低于燃料元件最高温度限值
核电站 ２００２ 年第 １１ 期
-1-
专论与译文
球床模块式高温气冷堆的研究及发展现状
核科学技术情报研究所 卢银娟 杨宇 石侠民
球床模块式高温气冷反应堆 ＰＢＭＲ 是一种采用包覆颗粒燃料的小型高温堆 是南非国家电力公司 ＥＳＫＯＭ 正在进行设计开发的先进反应堆 目前已经完成 了概念设计和经济分析 由于设计具有较高的安全和经济竞争力 ＰＢＭＲ 将为南非 提供海岸发电的方案 并且在国际上与所有其它发电方案相竞争 本文讨论了 ＰＢＭＲ 项目的历史 技术特点 电站性能和设计 经济前景 安全性能以及开发建 设的现状
２ 余热载出的非能动安全特性 在压水堆内 当发生一回路冷却剂流失事故时 必需由应急堆芯冷却系统向一 回路补充冷却剂 并引入负反应性或限制正反应性增加 同时借助辅助给水系统 和余热去除系统载出余热 即必需依靠能动的工程安全设施排出余热 而在球床 模块式高温气冷堆内 发生一回路冷却剂失压事故时 其余热完全借助热传导 热辐射和自然对流非能动地载出 球床模块式高温气冷堆堆芯直径小 平均功率密度也低 因此在一回路冷却剂 失冷失压的事故工况下 可以依靠堆腔冷却器载出余热 此事故下燃料元件的最 高温度与正常运行工况下的最高温度相当 即使假设两组堆腔冷却剂长期失效的 极端事故的情况下 堆芯燃料元件的最高温度也远低于 １６００ 的燃料元件的最高 允许温度 这种非能动式的余热排出系统的设计使模块式高温气冷堆的余热载出 具有固有安全特性
ＥＳＫＯＭ 作为南非国家电力公司 截止 １９９６ 年底 其装机容量已达到 ３８３９７ＭＷ 约占国家电力生产的 ９８％ 其大部分为燃煤电站 仅有 ５％的核电 从 １９９３ 年 起 ＥＳＫＯＭ 重新研究了发展核电的可能性 以满足 ２０００ 年以后经济发展对电力 的要求 在核电方案的考虑中 主要论证了两个问题 成本和公众的接受性 人 们认为这两者都与安全问题相关 安全又与潜在的事故相关 获得核电的竞争成 本的唯一方式是要排除具有重大场外后果的事故 球床模块式反应堆 ＰＢＭＲ 满 足这种安全标准 经过初步研究 ＥＳＫＯＭ 决定选用高温气冷球床堆气体透平发电 方案 目前已经完成其概念设计和经济分析
专论与译文
- 2-
核电站 ２００２ 年第 １１ 期
２． ＰＢＭＲ 的技术优势及技术研究现状
２．１ 球床高温气冷堆
高温气冷堆采用耐高温的陶瓷型涂敷颗粒燃料元件 化学惰性和热工性能良 好的氦气作为冷却剂 耐高温的石墨燃料作为慢化剂和堆芯结构材料
球床高温气冷堆堆芯由球形燃料元件和石墨反射层组成 燃料元件为涂敷颗 粒燃料 直径大约为 ６０ｍｍ 以氧化物或碳化物燃料为核心 外面涂敷热解碳和碳 化硅层 球形新燃料元件由堆顶部连续装入堆芯 同时从堆芯底部卸料管连续卸 出燃料元件 卸出的燃料元件如果未达到预定的燃耗深度 则再送回堆内使用 使每个燃料元件的燃耗深度基本一致 反应堆设有两套控制和停堆系统 均设置 在侧反射层内 第一套控制棒系统用于功率调节和反应堆停堆 第二套是小球停 堆系统 吸收体小球为含碳化硼的石墨球 用于长期冷停堆 球床堆的优点是
１． 引言
气冷堆是反应堆发展中最早的一种堆型 初期这种堆型被用于生产钚 ５０ 年 代中期以后开始成为发电用的商业化动力堆 气冷堆的发展大致可以分为四个阶 段 早期气冷堆 Ｍａｇｎｏｘ 堆 改进型气冷堆 ＡＧＲ 堆 高温气冷堆和模块式高温气 冷堆
高温气冷堆在设计 燃料和材料的发展 建造和运行方面都积累过成功的经 验 ７０ 年代开始准备进入发电和工业应用的商业化阶段 美国和德国都进行了大 型高温气冷堆的设计 但是由于经济危机等问题影响了高温气冷堆的发展
３． ＰＢＭＲ 的经济前景
在改进工作中 从三个方面分析了这个项目 以估计该项目对国家 用户和 投资者的价值 这将在下面各节中讨论
３．１ 国家的利益 在 ＰＢＭＲ 研究中 ＥＳＫＯＭ 建立了一个用于分析的情景 叫做基本情况 已
经对该项目进行了输入输出分析 此分析仅以机组建造的基础情况模型为基础 没 有开发燃料项目 该模型评价了该国建造的 １０ 台机组／年和出口的 ２０ 台机组／年 的基本情况 占南非国内电站的 ８１％ 占出口电站的 ５０％ 这些内在价值以电站 设备破损率和该国现行的制造能力的估价为基础 每年出口 ２０ 台机组的选择是基 于 ＥＳＫＯＭ 进行的世界市场的估价 并相当于世界电力总市场 ２％的份额或现行核 电厂近 １４％的替代市场 每年 １０ 台 机组的国内市场是基于 ３．５３％的长 期增长趋势 １９８０－１９９３ 相当于 在 ４１０００ＭＷ 基础上增长 １５００ＭＷ／ 年 这相当于 ＥＳＫＯＭ 的高增长假设 的长期平均数 在国内和出口这两 种情况下 影响是呈线性的 也就 是说 对于国内市场 每年一台机 组的影响是每年 １０ 台机组影响的 １０％ 因此 这种评价可以适于任何 假设基础 图 １ ＰＢＭＲ 核电厂总布局