小型核反应堆发电技术

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1、小型核反应堆发电技术ty中国内陆广大地区、边远地区，受地理位置、地址、气象、冷去水源、运输、电网容量 和融资能力等条件限制，大型核电设备的应用受很大制约，而小型堆可以满足这些地区的发 电需求。中国城市供热对能源的需求量居世界前列，开发小型堆“以核代煤”发展核能供热是 解决大气污染和二氧化碳减排问题的有效途径。同时，中国也是世界上水资源严重缺乏的国 家之一，用核能进行海水淡化是现实的解决途径。美国目前，美国小型堆的呼声很高，一方面是可以减少投资和缩短建造周期，另一 方面可实现更高的安全性。其主要用于取代逐渐退役的化石燃料电厂。俄罗斯地域辽阔，冬季采暖需大量热源，人口分散，海岸线绵长，资源竞争激烈

2、。其对小型 堆的开发应用重点在于浮动核电站，为边远地区城市供电和供热。发展中国家经济实力有限、电网容量不足，大型核电设备更多局限于少数经济发达大国。 小型堆建设和运行先对简单、安全、经济性强，可满足发展中国家电力需求。11小型堆的特点IAEA在分析了各国已研发和正在研发的小型堆后，对这种堆型的特点进行了评估总 结。IAEA认为，小型堆在安全性、经济性、核不扩散能力以及无需现场换料的能力方面， 具有较大的优势。1.2小型堆的设计IAEA建议，在小型堆的设计过程中，应该更多的考虑到小型堆的经济性，从而提高 与其他能源以及大型反应堆的竞争力，从而更有利于小型堆在日后的推广，有力开辟小型堆 独特的市场

3、。其中包括：简化系统，或者利用非能动系统和自动运行设备，削减运行和维修 过程中的成本；缩短建造周期、减少土建成本，尽早得到投资回报；如果尚不具备具体的厂 址条件，设计可利用参数的包络性，在前期进行标准设计，从而达到尽早通过设计审核的目 的；通过设计标准化与产品系列化，统一结构和系统，达到规模化生产；模块化建造缩小投 资风险。在设计中，应更多的考虑小型堆核不扩散的能力。进而在国际上大力推广小型堆的同时， 又能保证供应的核燃料不被用于军事用途。核不扩散能力主要依靠的是在设计中，通过技术 方式、运行模式和外部特征，预防在未经允许的情况下，挪用核燃料的行为。IAEA期望， 通过小型堆的推广，一方面解决

4、一些国家，尤其是发展中国家的能源问题，同时又能保证这 些核燃料不被用于核武器等军事用途，即在和平利用原子能的方针下，使核不扩散协议得到 有效可靠的执行。1.3小型核反应堆发展现状IAEA曾对小型堆的发展进行过预测，估计在2030年全球将建设4396座小型堆。根 据技术种类进行划分，小型堆可以分为四种形式，即轻水堆、高温气冷堆、液态金属反应堆 和熔盐堆。轻水堆在现有的小型堆设计中，最为常用的技术是轻水堆。这主要是因为数十年安全运 行轻水堆的经验，使得这种反应堆在安全性能方面更具保障性。在核蒸汽供应系统的设计方 面，大部分的技术都采用了“一体化”压水堆设计，即将一回路的设备全部集中布置于压力容 器

5、内；也有少数几种型号的反应堆，选择将蒸汽发生器或者蒸汽发生器的一部分（如汽水分 离器）放置于压力容器外。此外，随着西屋公司的AP1000非能动安全系统的面世与成功推广，“非能动”的理念也 深入贯彻到了现有的小型堆设计中。在经济性方面，轻水堆也以较低的初始投入与较少的投 资总额受到发展中国家，尤其是不发达国家的青睐。21液态金属反应堆实例安全可运输式自持反应堆STAR是由美国阿贡国家实验室开发的具有非能动安全特性 的铅冷却快中子模块反应堆。其400兆瓦的容量规模意味着可以通过铁路运输以及可以通过 自然循环冷却。它使用铀一超铀核素氮化物燃料，每1520年更换。其中STAR-LM型用 于发电，而ST

6、AR-H2则用于制氢，由780C的氦气来驱动一个单独的热化学制氢工厂，而 低品质的热可用于海水淡化（多级闪蒸工艺）。商业化发电则是通过氢气燃料电池进行的。俄罗斯设计的另一种更小且更新的容量为75100兆瓦铅一铋快堆（SVBR）。这是一 种一体化设计，其蒸汽发生器坐落在堆芯所在的400480C的铅一铋池内，每个模块直径 为4.5米，高7.5米，具有非能动热排除和屏蔽功能。一座拥有16个这种模块的核电厂其发 电成本比俄罗斯其它任何新型发电技术还低，同时具有固有安全性和防核扩散性。日本东芝公司正在与日本电力工业中央研究院合作开发4S （超级、安全、小型和简单） 核电池系统。它使用钠作为冷却剂，具有非

7、能动安全特性。整个机组将在工厂制造，然后运 往厂址。燃料是铀一锆合金，铀浓缩度达到20%，可以连续运行几十年不换料。其10兆瓦 和50兆瓦2种堆型被设计成能自动维持510C的冷却剂出口温度，适于发电和高温电解制 氢。电厂造价为2500美元/千瓦，发电成本为6美分/千瓦时。图1SP-100动力系统原理图2.2高温气冷堆实例最著名的模块化高温气冷堆项目是由南非牵头开发的110兆瓦球床模块反应堆。这种反 应堆采用的是直径小于1毫米的三层包覆碳化铀颗粒形式燃料，铀浓缩度达到14%。燃料 的核心由多层碳和碳化硅包覆，为裂变产物提供了一个包壳，使燃料在1600C或更高的温 度下都能保持稳定。乏燃料数量比同

8、样容量的轻水反应堆内的乏燃料要多一些。美国气轮机一模块氦冷反应堆（GT-MHR）将作为单个285兆瓦的模块建造，氦气直接 驱动气轮机，热效率为48%筒形堆芯包括102根石墨块组成的六角形燃料元件柱，上面有 用于氦气和控制棒的通道，石墨反射层在堆芯的内部和周围。每18个月更换一半堆芯。燃 耗大约是10万兆瓦日/吨铀。该堆型由美国通用原子能公司与俄罗斯原子能部合作开发，日 本富士公司提供支持，起初该反应堆是用来燃用俄罗斯核武器上拆卸下的纯钚，造价预计低 于1000美元/千瓦，总发电成本为2.9美分/千瓦时。液态金属反应堆反应堆中第一回路的冷却剂是液态金属，比如钠-钾合金，由于金属热 容小传热快，而

9、且沸点高，所以比使用水来做冷却剂的反应堆来说，效率较高。其中的液态 金属冷却快中子堆，是指没有中子慢化剂的核裂变反应堆。图2 20KW空间核能发电系统示意图2.3液态金属反应堆实例安全可运输式自持反应堆DRX是由美国阿贡国家实验室开发的具有非能动安全特性的 铅冷却快中子模块反应堆。其400兆瓦的容量规模意味着可以通过铁路运输以及可以通过自 然循环冷却。它使用铀一超铀核素氮化物燃料，每1520年更换。其中STAR-LM型用于 发电，而STAR-H2则用于制氢，由780C的氦气来驱动一个单独的热化学制氢工厂，而低 品质的热可用于海水淡化（多级闪蒸工艺）。商业化发电则是通过氢气燃料电池进行的。俄罗斯

10、设计的另一种更小且更新的容量为75100兆瓦铅一铋快堆（SVBR）。这是一 种一体化设计，其蒸汽发生器坐落在堆芯所在的400480C的铅一铋池内，每个模块直径 为4.5米，高7.5米，具有非能动热排除和屏蔽功能。一座拥有16个这种模块的核电厂其发 电成本比俄罗斯其它任何新型发电技术还低，同时具有固有安全性和防核扩散性。日本东芝公司正在与日本电力工业中央研究院合作开发4S （超级、安全、小型和简单） 核电池系统。它使用钠作为冷却剂，具有非能动安全特性。整个机组将在工厂制造，然后运 往厂址。燃料是铀一锆合金，铀浓缩度达到20%，可以连续运行几十年不换料。其10兆瓦 和50兆瓦2种堆型被设计成能自动

11、维持510C的冷却剂出口温度，适于发电和高温电解制 氢。电厂造价为2500美元/千瓦，发电成本为6美分/千瓦时。图3 DRX示意图31对小型堆的期待小型堆被视为“核能工业的转折点”，是“游戏改变者”，“开创了核能多用途的新时代”。 小型堆的多重价值，未来将为核能行业增添新的发展空间。期待“心理安全”与“技术安全”的结合。核能始终没有放松的安全，同样存在于小型堆的 应用中。而公众“心理安全”的最终支撑，还是技术安全。这应包括在小型堆建设和小型堆运 行中的管理流程技术等。小型堆的建设推广，要有足够的宣传和科普介入，实现民众对小型 堆有足够的认可和踏实的接受，避免因信息不对称造成的“反核”情绪。4 结论较高功率范围内，气冷堆在技术上尚有待于进一步发展。液态冷却快堆在安全性方面需 要进一步提高。Stirling转换装置Bravton转换装置或者Ranking转换装置将用来代替热电直 接转换装置，以便在原有的sp-100反应堆系统上产生近兆瓦电功率的 动力。为了满足供电需求，多个sp-100核动力系统将得到发展。除此之外，在深海探测船用核动力系统方 面，小型安全一体化反应堆动力系统，结构简单，是安全性和经济性都非常好的一种动力系 统，预计随着技术的成熟将会在商用方面得到重视。