高溫氣冷堆

      高溫氣冷堆除了具有快堆的特點(diǎn)外，還具有無與倫比的安全性。反應(yīng)堆燃料元件采用包覆燃料顆粒構(gòu)成的“全陶瓷型”球形燃料元件，具有在不高于的1600攝氏度的高溫下阻留放射性裂變產(chǎn)物釋放的能力，而且堆芯周圍全部由石墨和碳磚材料構(gòu)成，芯結(jié)構(gòu)部件能承受超高溫，加上反應(yīng)堆具有較大的燃料和慢化劑負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)，能保證在任何情況下，燃料元件最高溫度不超過其安全限值。2014年9月，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高溫氣冷堆核電站示范工程燃料元件生產(chǎn)線已完成安裝，由中核北方核燃料元件有限公司負(fù)責(zé)運(yùn)營，可每年向石島灣核電站提供約30萬個(gè)球形燃料元件。

      高溫氣冷堆的核心裝備就是主氦風(fēng)機(jī)。反應(yīng)堆的堆芯和蒸汽發(fā)生器傳熱管組分別裝設(shè)在壓力容器和承壓殼內(nèi)，并由熱氣導(dǎo)管殼體相連接，構(gòu)成一回路壓力邊界，這時(shí)候就需要主氦風(fēng)機(jī)提供的氦氣進(jìn)行冷卻，使承壓殼不承受高溫。2014年8月，中國成功研制高溫氣冷堆核電站示范工程的核心裝備——主氦風(fēng)機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)。在工作中，HTR-PM的主氦風(fēng)機(jī)將氦氣加壓到70個(gè)大氣壓后作為冷卻劑，將反應(yīng)堆堆芯產(chǎn)生的熱量帶走。目前，在國際上還沒有容量相當(dāng)、結(jié)構(gòu)相似的產(chǎn)品，性能世界領(lǐng)先。

      另外，高溫氣冷堆還具有不停堆換料，控制棒和吸收球都可依靠重力下落實(shí)現(xiàn)停堆等功能。一旦發(fā)生事故，堆芯余熱排出不需專設(shè)的能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)，余熱可以借助于導(dǎo)熱、輻射和對(duì)流等自然機(jī)理非能動(dòng)地傳到反應(yīng)堆壓力容器，再由堆艙冷卻器載出，大幅提升了反應(yīng)堆的可靠性。

      中國高溫氣冷堆技術(shù)研發(fā)工作始于上世紀(jì)70年代。通過實(shí)施國家863計(jì)劃，清華大學(xué)在中核集團(tuán)的支持下設(shè)計(jì)建造了10兆瓦實(shí)驗(yàn)堆，2003年1月7日實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。2012年12月9日，由中核工業(yè)建承的山東石島灣高溫氣冷堆示范工程開工建設(shè)，按進(jìn)度計(jì)劃將于2017年底建成發(fā)電。

      超臨界水冷堆

      超臨界水冷堆是一種高溫高壓水冷反應(yīng)堆，它運(yùn)行在水的熱力學(xué)臨界點(diǎn)（374°C，22.1MPa）之上。與常規(guī)水冷堆相比，超臨界水冷堆具有核燃料利用率高、機(jī)組熱效率高、系統(tǒng)更簡化、成本也更低等特點(diǎn)。

      中國是貧鈾國，要持續(xù)發(fā)展核電，必須選用燃料利用率高的堆型。而超臨界水冷堆突出特點(diǎn)是堆芯冷卻劑平均密度較低，冷卻劑慢化能力低，容易實(shí)現(xiàn)超熱中子譜或者快中子譜堆芯設(shè)計(jì)，獲得較高的燃料利用率。

      熱效率越高意味著越多的熱能可以轉(zhuǎn)換為電能，超臨界水冷堆核電機(jī)組與常規(guī)亞臨界輕水堆機(jī)組相比，熱效率明顯提高，可達(dá)到45%。

      更簡單的系統(tǒng)意味著更低的建設(shè)成本。由于采用簡單的直接循環(huán)系統(tǒng)，使得核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)布置緊湊，從而使反應(yīng)堆廠房小型化，使機(jī)組在經(jīng)濟(jì)性方面具有比較優(yōu)勢，超臨界水冷堆核電機(jī)組的造價(jià)比高溫氣冷堆和壓水堆分別便宜70%和44%。

      此外，超臨界水冷堆還具有技術(shù)繼承性好的優(yōu)點(diǎn)——可充分采用現(xiàn)有壓水堆的技術(shù)基礎(chǔ)；可以充分利用壓水堆核電站設(shè)計(jì)、研發(fā)條件以及制造、建造、運(yùn)行、維護(hù)和管理的經(jīng)驗(yàn)；能充分借鑒超臨界火電汽輪機(jī)的技術(shù)。

      目前，中國已經(jīng)具備發(fā)展超臨界水冷堆反應(yīng)堆的技術(shù)基礎(chǔ)。2014年，中國超臨界水冷堆技術(shù)研發(fā)第一階段（基礎(chǔ)技術(shù)研究）研發(fā)目標(biāo)已經(jīng)完成，提出了超臨界水冷堆總體技術(shù)路線。按照路線圖，除已完成的第一階段外，超臨界水冷堆技術(shù)路線圖中還有四個(gè)階段的發(fā)展：2014年—2017年實(shí)施技術(shù)研發(fā)第二階段；2017年—2021年進(jìn)行工程技術(shù)研發(fā)；2019年—2023年進(jìn)行工程實(shí)驗(yàn)堆設(shè)計(jì)建造；2022年—2025年進(jìn)行百萬千瓦級(jí)超臨界水冷堆標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究。

      就中國正在研發(fā)、建設(shè)的高溫氣冷堆、鈉冷快堆、超臨界水冷堆而言，超臨界水冷堆具有最好的性價(jià)比，而且能繼承現(xiàn)有的壓水堆和超臨界火電汽輪機(jī)的技術(shù)；鈉冷快堆的冷卻效果好，能量轉(zhuǎn)換率較高，世界各國大多看好鈉冷快堆；高溫氣冷堆能夠提供其它堆型所無法提供的熱源，這使得該技術(shù)不僅可立足于核電的行列，而且還能夠拓寬其應(yīng)用市場，為核能制氫、冶金、化工等領(lǐng)域提供大量的高溫工藝熱。目前，三種反應(yīng)堆還在研發(fā)和建設(shè)過程中，斷言哪一種反應(yīng)堆最有前途還為時(shí)尚早。