分析 | 高温堆在亚洲兴起 (上)

2020-09-14 16:19  来源:嘿嘿能源heypower    高温气冷堆  石岛湾核电站  核反应堆

日本、中国和韩国都在开发高温反应堆,而目前的印尼,则有一个雄心勃勃的反应堆计划。


日本、中国和韩国都在开发高温反应堆,而目前的印尼,则有一个雄心勃勃的反应堆计划。

1.日本高温堆发展与应用

日本在高温气冷堆方面发展较早。

位于日本茨城县大洗町的30 MWt高温工程试验堆(HTTR),在稳定性和安全性方面,被普遍认为是世界上性能最好的高温气冷堆(HTGR)。

日本也是第一个建立HTGR燃料商业生产线的国家。

HTTR是一种小型石墨慢化氦冷原型堆,由日本原子能机构(JAEA)的前身——日本原子能研究所(JAERI)建造,主要目的是开发HTGR和核热利用技术,同时利用高温环境对材料进行辐照试验。

1969年,JAERI开始研究和开发HTGR。

1991年3月,JAERI开始建造反应堆厂房。

1996年3月,HTGR的安全壳内所有主要部件,包括反应堆压力容器和一回路冷却系统,都已安装完毕。

1998年11月,HTGR实现了首次临界。

2001年12月,HTGR实现了30MWt的全功率运行和850°C反应堆出口冷却剂温度。

2002财政年度,HTGR开始进行额定功率运行和安全示范试验。

2004年4月,反应堆出口冷却剂温度达到950℃——为世界首次。

2010年1月至3月,HTTR在高温和满功率条件下成功运行了50天。

然而,2011年2月,HTGR由于计划检查而下线,此后一直处于关闭状态。

2011年3月,福岛第一核电站发生核事故,HTGR受到影响,开始准备进行安全升级。

2013年7月,日本核管理局(NRA)宣布了修订后的核安全条例,规定在日本国内反应堆获准重启之前,必须满足这些核安全条例。

JAEA于2014年11月向NRA申请安全检查,验证HTGR升级的措施是否符合新的安全标准。

2020年6月,NRA表示,HTGR反应堆的安全升级符合要求。NRA还证实,即使发生“超出设计基准”的事故,如反应堆停堆功能多次失效,也不会发生燃料损坏。

JAEA目前正根据HTTR的安全特性制定一项国际安全标准,并且表示,这对HTGR商业化非常重要,并将有助于加强日本HTGR技术的国际竞争力。

一旦HTTR重启,计划开展的活动包括:OECD/NEA失力冷却项目的安全演示测试(旨在模拟冷却系统可用性降低,甚至不可用的事故场景);热能系统的技术示范试验讨论(由氦气涡轮机和制氢设施组成);燃料性能试验;利用HTTR进行国际合作和人力资源开发。

HTTR产生的950°C热量预计将有广泛用途,包括制氢、发电和海水淡化。JAEA计划建造一个与HTTR相连的制氢系统。

三菱重工(MHI)曾参与HTTR的设计和建造,并开发了软件技术来验证反应堆堆芯的性能和完整性,现在正在开发HTGR制氢技术。

2. 日本TRISO燃料开发

HTGR,包括HTTR,使用直径约为1mm的三结构各向同性(Triso)涂层燃料颗粒。

Triso燃料球形内核由氧化物或碳化硅燃料组成,外部涂层由多孔热解炭(缓冲层)、内部致密热解炭、碳化硅(SiC)和外层致密热解炭组成。涂层的主要功能是将裂变产物保留在粒子内。SiC涂层可以作为阻挡金属裂变产物扩散释放的屏障,并提供一定的机械强度。

日本的HTGR燃料不采用卵石层设计,而是将包覆的燃料颗粒放入燃料组件中。

20世纪60年代, JAEA开始与核燃料工业有限公司(NFI)合作开发HTGR燃料制造技术。NFI为日本材料试验堆(JMTR)制造了许多辐照试验样品,以及HTTR的第一次和第二次燃料装载。

日本目前正在研究先进HTGR燃料,并基于高温气冷堆(HTR)燃料技术制造出了新型SiC Triso燃料。

日本正在研究用碳化锆(ZrC)层取代SiC层。

JAEA对氧化物燃料核进行了ZrC涂层试验,研究涂层参数和材料性质(如化学计量比和密度)影响。

这些替代粒子在美国橡树岭国家实验室的高通量同位素反应堆(HFIR)上进行了辐照,以阐明ZrC的基本辐照响应。

NFI在1995年完成了HTTR燃料设施生产线,开始进行燃料制造。

1997年12月,NFI制造了约4770根燃料棒,包括燃料芯、包覆燃料颗粒和燃料压缩工艺,并在反应堆厂房内组装了150个燃料元件。

2019年5月,位于美国的X能源与日本NFI签署了一份谅解备忘录,建立了供应Triso燃料制造设备的伙伴关系。

X能源与NFI计划将商业设备从NFI的东海工厂转移到X能源的橡树岭Triso燃料制造厂。

2020年7月,X能源与NFI合作,成为向日本HTGR供应燃料的独家供应商。

3. 中国:球床模块式高温气冷堆(HTR-PM)发展

石岛湾核电站

中国的球床模块式反应堆来自于德国的技术,与日本的块状HTGR有很大不同——没有燃料组件,没有球形燃料颗粒(由铀颗粒和石墨粉的混合物制成,可一个接一个直接落入反应堆堆芯)。

中国在20世纪70年代开始开发HTGR技术,主要在清华大学核与新能源技术研究所(INET)进行。INET对反应堆设计和燃料制造进行了基础研究。

20世纪80年代末,中国设计、建造、调试和运行了一个10MWt高温氦冷试验堆(HTR-10),该堆于2000年12月实现首次临界,并于2003年1月并网。

2003年4月至2006年9月,在中国国家核安全局(NNSA)的监督下,对HTR-10进行了四次实验。其中,在没有采取任何应对措施的情况下,对HTR-10进行了极端状况实验,证实模块化HTGR的固有安全特性。

在此期间,中国还开始制造球形燃料元件,并开发了燃料装卸和运输技术、氦气处理技术、高温气冷堆关键设备国产化和全数字化反应堆保护系统。在HTR-10的基础上,INET开始开发示范性商用模块化HTGR装置。

球床模块式高温气冷堆(HTR-PM)项目于2001年启动,旨在证明HTGR技术(包括标准化和模块化)的内在安全性和经济竞争力。

示范工厂的两个HTR-PM反应堆驱动一个210MWe的涡轮机。氦气将用作主回路冷却剂,蒸汽发生器将热量从氦气冷却剂传输至水/蒸汽回路,设计温度达到750℃。

2006年1月,HTR-PM成为中国16项国家科技重大专项之一,得到了高度重视和大力支持。

2008年1月,中国国务院批准了一项HTR-PM项目计划,并制定了详细的研发技术路线图。在国家核安全局颁发施工许可证并获得政府批准后,2012年12月浇筑了第一批混凝土。核岛的土建工程于2015年6月完成。

2016年3月,第一个反应堆压力容器开始安装主要部件,随后是金属内件、反应堆腔冷却系统水冷板、陶瓷内件、石墨卵石等。第一个RPV的上封头于2017年12月安装,标志着第一个反应堆的完工。

中国核工业集团(CNNC)在2020年3月表示,第二个反应堆的“关键节点配对”已经完成。压力容器、蒸汽发生器和热气管道“以法兰形式连接,形成反应堆热能输送的一回路系统,构成防止放射性物质泄漏的第二道屏障”

作为一个商业规模的示范电厂,HTR-PM需要一个全范围的模拟器来培训和认证操作员,相关器材已经在2015年12月交付。

在石岛湾还计划建设18个这样的HTR-PM机组。

除了HTR-PM,中国还提出了一种放大版本——HTR-PM600,六台HTR-PM反应堆机组驱动一台650MWe涡轮。

目前正在对浙江三门、江西瑞金、福建霞浦和万安以及广东白安进行HTR-PM600部署的可行性研究。

中国华能是建设示范堆的牵头组织,由CNNC子公司中国核电工程有限公司(CNEC)和研发者INET共同联合体组建。INET和CNEC的合资企业——中核能源科技有限公司(Chinergy)——为核岛建设的主要承包商。

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