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中国核能可持续发展论坛
中国核能技术发展的主要方向和重点
时间:2018年09月29日 来源: 作者:叶奇蓁 点击量:1636 分享:

中国核能技术发展的主要方向和重点

一、中国核电发展现状

截至2017年底,中国核电在运机组37台,总装机容量3581万千瓦;在建机组20台,总装机容量2287万千瓦。到2020年我国在运核电机组预期将达到5800万千瓦,居世界第二位。正如中国工程院和法国科学院及法国国家技术院给国际原子能机构的报告中所说:“就所有民用核能活动而言,可以认为法国和俄罗斯在当下全球领先。同时,中国在核电站建设方面正在取得重大突破,是未来的潜在领先国家之一。”

中国核电具有“后发优势”

中国核电充分吸收了国际核电发展的经验和教训,采用当前最先进的技术,遵循最高的安全标准。中国始终坚持自主创新,不断改进。技术先进、实力强大的装备行业支撑中国核电建设,提供高质量先进的设备。

中国最早引入和开发三代核电技术

中国采用当前国际最高安全标准,满足美国“电力公司要求文件”(URD)和欧洲国家的“欧洲电力公司要求”(EUR)的要求。中国率先引进并在三门、海阳建设首批4台AP000先进压水堆核电厂,同时又在台山建设2台EPR1700先进压水堆核电厂。中国自主开发三代核电CAP1400和华龙一号。华龙一号在我国具有的成熟技术和规模化核电建设及运行基础上,通过优化和改进,满足先进压水堆核电厂的标准规范,已在福建福清、广西防城港和巴基斯坦卡拉奇开工建设。

华龙一号满足国际核电最高安全标准,其主要特点有,采用标准三环路设计,堆芯由177个燃料组件组成,降低堆芯比功率,满足热工安全余量大于15%的要求;采用能动加非能动的安全系统;采用双层安全壳,具有抗击大型商用飞机撞击的能力;设置严重事故缓解设施,包括增设稳压器卸压排放系统,非能动氢气复合装置,以及堆腔淹没系统,保持堆芯熔融物滞留在压力容器内;设置湿式过滤排放系统,以防止安全壳超压故障;设计基准地面水平加速度为0.3g;全数字化仪控系统。

 

二、持续提高核电的安全性

我国和国际上都在进行提高核电的安全性研究,主要有从设计上实际消除大规模放射性释放,保持安全壳完整性,严重事故预防和缓解(包括:严重事故管理导则,极端自然灾害预防管理导则),耐事故燃料(ATF)研究,以及先进的废物处理和处置技术的开发和应用。

安全监管机构要求新建反应堆应满足下列安全目标:1.必须实际消除会出现堆芯融化、导致早期或大量放射性泄露的事故;2.对可能发生的堆芯融化严重事故,必须保证只需对公众在一定地域/时期内采取有限保护措施(无需永久迁居,无需紧急撤离,无需长期限制食品消费);3.在外部事件方面,倾向于将大飞机蓄意撞击考虑进去。

第三代核电具有足够的安全性,第三代+核电站使高压堆芯融毁的概率降低10倍以上;反应堆设有在堆芯融毁时收集熔融物的堆芯捕集器,以及其他安全及严重事故缓解设施;为操作员在事故下的干预策略留出足够时间采取行动,并做到实际消除大规模放射性释放;为防止安全壳超压损伤,设置安全壳湿式卸压过滤排放系统(下降2~3个量级),从而消除剩余风险;从而可以做到即使在发生极其严重的核事故时,核电站附近大范围居民无需撤离,也无需担心食物受到污染,只需短时间隐蔽,不存在长期环境及生态影响,符合安全监管机构的安全目标。

  

三、耐事故燃料研发

耐事故燃料目标,一是降低堆芯(燃料)熔化的风险,二是缓解或消除锆水反应导致的氢爆风险,三是提高事故条件下裂变产物的包容能力。

国际方面,美国西屋公司将于2019年春,将耐事故燃料的先导组件装入爱克斯龙电力公司拜伦核电站随堆考验。该组件采用硅化铀芯块和薄铬镀层的锆包壳组成。硅化铀芯块能提供更高的铀密度减少换料量。第二阶段西屋计划使用硅化铀芯块和碳化硅包壳。总体上这个方向和我们国内方向一致。ATF燃料元件的研发和投入具有另外一层意义。三代核电站主要在安全系统上采取了安全措施,提高了安全度。到现在为止,全世界在运行的电站都是二代核电站,想在运行的二代核电站上改进其安全系统是不可能的,但可以更换燃料。如果我们在二代核电站里换了ATF燃料以后,大大提高了安全性,有很大的现实意义。国际上,美国和法国正在开展此类工作,并预计2019年可以开始应用。在这一方面我们要大量加强工作,既为新建的核电站提供更好的燃料性能,安全性能,又为在运行的二代核电站安全运行创造条件。

  

四、人工智能在核电的应用

2017年7月,国务院印发了《新一代人工智能发展规划》,规划提出,到2020年人工智能总体技术和应用与世界先进水平同步。核工业是高科技战略产业,是国家安全的重要基石,人工智能的应用具有重要意义。

落实新一代人工智能在核能行业的发展规划,需深入并广泛应用以工业机器人、图像识别、深度自学习系统、自适应控制、自主操纵、人机混合智能、虚拟现实智能建模等为代表的新型人工智能技术。

总体来讲,核电领域人工智能发展分为三个阶段。第一阶段是基础建设,智能化一定要立足在数字化的基础上,从智能仪表智能控制器采用到核电站全数字仪控系统建立,国内除了早期的几个核电站外,其他大部分核电站都已经数字化。第二阶段是人工智能架构的建立,利用“互联网+”建立大数据系统,开发数字核电站并开发应用虚拟现实(VR)技术,其中数字核电站包括两类,一类是虚拟的三维数字化核电站,用于安装维护检修,一类是动态的,实时展示核电站的各种参数和状态。第三阶段是核电人工智能应用开发,包括操作指导,事故处理指导,核电站设备系统智能维护,高放射性区域不可达地区的应用机器人或者机器人系统维修。这三个阶段不是相互割裂的,而是交叉发展的,使得我们的人工智能慢慢成熟发展起来,这是当前国际上的热点,也是占领技术和科学制高点的一项关键工作。

核电领域人工智能应用的意义在于提高核电运行的安全性;加强核电关键系统和设备的自动运行监控,提高系统、设备的可靠性;提高核电站运行的可利用率,提高经济性;对人不可达区域进行机器人维修,减少工作人员的受照剂量;为严重事故处理创造技术条件;为核电站退役创造技术条件。

  

五、小型堆的开发研究

从20世纪70年代开始,推进了创新的中小型反应堆(50~300 MWe)的研发,以支持多种应用:偏远位置,并未入邻近电网的中小型电网,旧燃煤机组更换,将废热用于供热网络的热电联产,海水淡化,海岛开发等等。

显而易见的是,尽管市场前景广阔,也开展了一些设计研究,但这些小型模块化反应堆还未能展示出大规模应用的实用性,这主要是由于开发的进展缓慢、经济方面的原因,还有厂址准备和部署的延迟。

出于巩固核能领导地位和能源领域、核技术方面取得的主要进展,在美国能源部的倡议下,近年来,大家对小型模块化反应堆的兴趣越来越强烈,小型模块化反应堆是游戏改变者,能够以高安全水平提供不同的核电联产解决方案。

小型模块化反应堆可成为清洁稳定的分布式能源,出于四大原因:1.减少化石燃料使用的需求;2.与分布式能源结构相匹配,包括可再生能源、智能电网、储能等等;3.操作机动、灵活;4.长期投资项目融资的问题。

三大进展提升了小堆的竞争力和吸引力。一是运用非能动安全概念的可能性,就不需要太多装备;二是工厂内模块化建造能力的形成;三是“即插即用”概念运用,发电站完全在工厂内建造,然后运到现场接入电网,包括浮动核电站。

国际发展方面,国际上有45种以上革新型中小型反应堆概念和设计,部署目标介于2012年至2030年之间。美国能源部长朱棣文表示中小型反应堆是美国接下来的核选择,美国2011年拨款3890万美元用于模块式反应堆取证和商业化,美国参议院新议案将小堆开发列入联邦政府资助名单。法国建议阿海珐提供小型的、更廉价核反应堆。俄罗斯开发的小堆有VBER150、VBER300、KLT40。东芝公司宣称其研发的10MWe小堆30年内不必更换燃料,可供日本3000个家庭用电。三菱重工研发350MWe小堆,已完成概念设计。日立和美国通用电气合作研发400MWe至600MWe的中型核反应堆。韩国开发小型压水堆SMART。

中国核工业集团公司开发了ACP100,出力125兆瓦小型模块化反应堆,有下列技术优势,:一体化反应堆、屏蔽式主泵、集成式堆顶结构、小型钢安全壳、固有安全特性、非能动安全系统、地下部署、双堆共享一个250兆瓦的汽轮发电机组。

要切实满足市场需求,新的小型模块化反应堆必须真正采用创新理念,绝对不能是目前的第三代反应堆的缩小版。创新的设计可明显提升小型模块化反应堆在经济上的竞争力,相对于间歇性风电、太阳能发电、天然气发电和用于特定应用的柴油发电机相比,小型模块化反应堆是有竞争力的。如果类似于“即插即用”、设计完全独立于安装地点的解决方案得到证实,它们可以成为满足市场需求、从而为能源转型作出贡献的最佳选择。

要充分吸取核能特殊创新技术发展,一是在高性能燃料方面,燃耗增加,而膨胀和裂变气体释放量有限;事故容错燃料,能承受高温不熔化,从而能在发生事故时防止或限制氢的产生。二是改进的堆芯仪表,准确性更高,可减少设计分析和运行时的保守性。三是更加深刻理解堆芯熔融行为,优化事故工况下燃料在压力容器内滞留措施。四是实施最新模拟方法,实时耦合热工水力和中子计算,可大大提高设计和运行能力。

吸取从其它行业转让而来的技术,例如核设施设计、采购、建设和项目管理的数字化;为低压回路系统采用新型复合材料以取代钢材;采用高机械性能和抗渗性能的先进混凝土等。

  

六、小型堆开发研究中的低温核能供热

 

受陕西省的邀请,中国科协和核学会组织院士及有关专家,对陕西省核能供热代替燃煤的必要性进行了考察。由于偏重传统能源与重化工业,快速发展的陕西关中地区大气污染物排放总量长期高位运行,空气中细颗粒物(PM2.5)浓度位居全省前列,年均雾霾天气日数居高难下。据统计,以西安市为代表的关中城市2016年上半年优良天数同比减少42天,位居全国74个重点监测城市的后10位。PM10、PM2.5同比分别上升16.3%和16.1%,环境压力持续加大。

去年冬天到今年春天,北京的优良天数很多,其中一个主要的原因是环保部取消燃煤供热,这样一来天气改善了,所以烧煤是相当大的污染,将来应减少煤。总书记说过,宜气则气,宜电则电。用气,北京的气贵,资源也不足。我们在开发泳池式低温供热堆,上面有12米的水池,经过两个热交换隔离以后,送到热网,相当安全,低温供热温度就是100度左右,现在热网上要求90-100度,足够满足需求。

泳池式低温供热堆的特性有:可以做到零堆熔,在严重事故情况下,反应堆依赖固有负反馈特性可实现自动停堆,即使没有任何干预,也可实现26天堆芯冷却不熔毁;抗外部事件能力强,水池全部埋入地下,避免因自然及人为原因造成重要设备损坏而发生核事故;零排放(见下表);污染物排放近零,放射性源项小,是常规核电站的1%。易退役,退役彻底,厂址可恢复绿色复用。

泳池式低温供热堆扩展应用,一是利用溴化锂吸热循环制冷,以便在夏季实现城市供冷,提高供热堆的利用率;二是生产同位素;三是生产医用短寿命同位素,如18Fe、99mTc、131l、89Sr、32P、125l等具有性能优良、半衰期合适、方便易得等特点,且供热堆分布面广,离城市大医院近,便于短寿命同位素运输,为推广同位素诊断和治疗创造有利条件;四是利用低温真空闪蒸进行海水淡化。如果这些技术都用上,我们供热堆的经济性问题也可以解决,而且促进了发展。 

(作者为中国核能行业协会专家委员会主任)


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