先进小型反应堆技术现状及未来发展趋势研究

先进小型反应堆技术现状及未来发展趋势研究【摘要】随着我国工业化进程的不断深入，能源需求呈刚性增长和多元化发展，小型反应堆尤其是第四代液态金属冷却小型堆由于安全性、经济性和移动性等优势具有广阔的应用前景。本研究通过调研目前小型堆的市场需求与当前三代轻水冷却小型堆的技术特点，论证了发展小型堆的必要性与三代轻水冷却小型堆在核燃料利用方面的局限性。在此基础上，进一步调研四代小型堆的技术特点与研发现状，并在安全性、经济性与应用前景三方面对四代小型堆与三代小型堆进行对比分析，得出四代液态金属冷却小型堆较轻水冷却小型堆更为安全，具有固有安全特性的结论；在经济性方面，可以采用闭式燃料循环，总投资成本更低；在应用前景方面，可以更好适应边远地区核动力系统、航空航天核动力系统、军事核动力平台以及其他方面的发展需求。【关键词】小型反应堆；市场需求；第三代反应堆；第四代反应堆中图分类号：TL41文献标识码：A文章编号：2095-2457（2018）03-0015-004CurrentStatusandDevelopmentTendencyofAdvancedSmallReactorsCHENRen-zong1WANGGuan2（1.InstituteofNuclearandNewEnergyTechnology，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China；2.ChinaNuclearIndustryHuajianAssetManagementLTD.，Beijing100123，China）【Abstract】WiththedevelopmentofindustryinChina，energydemandkeepsincreasingmonotonicallyanddevelopstowardsdiversification.Smallreactors，especiallytheGenerationIVliquidmetalcooledsmallreactorshavebroadapplicationprospectduetotheadvantagesonsafety，economyandmobility.ThisstudysummarizedthemarketdemandofsmallreactorsandthetechnologicalfeaturesofGenerationIIIlightwatercooledsmallreactors，anddemonstratedthenecessityofdevelopingsmallreactorsandthelimitationofGenerationIIIlightwatercooledsmallreactorsontheutilizationefficiencyofnuclearfuel.ThenthetechnologicalfeaturesandstatusofGenerationIVsmallreactorsweresummarized，andtheperformancesofGenerationIIIandIVsmallreactorsonthesafety，economyandapplicationprospectwerecompared.ItwasindicatedthatGenerationIVliquidmetalcooledsmallreactorsfeaturedwithinherentsafetyaresaferthanGenerationIIIlightwatercooledsmallreactors.GenerationIVliquidmetalcooledsmallreactorsbasedonclosednuclearfuelcyclearemoreeconomicalthanGenerationIIIlightwatercooledsmallreactorsduetolowcostofinvestment.Furthermore，GenerationIVliquidmetalcooledsmallreactorsaresuitablefortheapplicationinremoteareas，aerospace，andmilitaryfields.【Keywords】Smallreactor；Marketdemand；GenerationIIIreactor；GenerationIVreactor1小型反应堆研究背景根据国际原子能机构的定义，输出电功率在300MW以下的反应堆称为小型反应堆[1]。随着核能的发展，新一代核电在安全性、经济性、用途广泛性和选址灵活性等方面提出了更高的发展要求。而先进小型反应堆在这些方面均具有突出的优势，符合第四代核能系统发展的要求，因此受到了国际核能界的高度?P注。目前小型反应堆设计研究涉及到各种堆型，根据冷却剂类型分类，小型反应堆可以分为水冷堆、气冷堆、液态金属冷却堆和熔盐堆。与传统大中型反应堆相比，小型反应堆具有以下优点：1）模块化设计和建造，具有良好的经济性；2）可组装成一体化堆，方便运输，解决相对孤立系统的用电问题，增强防止核扩散能力；3）拥有非能动余热排出系统等一系列非能动安全系统，显著提高了反应堆的安全性。作为大中型核电机组的有益补充，小型反应堆具有比三代压水堆更高的安全性和更短的建造周期以及良好的经济性和应用的灵活性，是适用于多种应用场景的新型核能系统，是解决偏远内陆、海岛等远离主电网地区长期电力供应的有效措施，将为这些地区的经济发展、军事驻防等提供有力保障。本研究从小型反应堆的市场需求出发，对目前具有第三代和第四代特征的小型反应堆技术现状进行归纳总结，论证了发展小型堆的必要性和三代轻水小型堆在核燃料利用方面的局限性，然后比较分析不同类型的第四代小型反应堆在安全性、经济性以及市场应用上的特点，确定小型铅基冷却快堆具有良好的经济性和广阔的应用前景，并从基础研究、配套法规等方面对小型铅基冷却快堆发展提出针对性的建议。2小型反应堆市场需求随着我国对能源需求的日益增加，核能作为低排放的绿色能源之一，将成为我国建立低碳发展模式、实现2020年单位国内生产总值二氧化碳排放量相比2005年下降40%～45%目标的重要手段。小型反应堆市场需求如表1所示。小型堆具有低投资成本、容量小、工期短、占地面积小等天然优势，小型堆是替代小功率火电站良好选择，同时在大型核电站建设困难的偏远地区，小型堆也能发挥它工期短、占地面积小的优势，降低材料运输和工程建设的难度。小型堆也可以满足化工园区对电能的多样化要求，并可以替代火电站，实现以小型堆为核心的热电联产、热汽联产等。表1小型反应堆市场需求[2]Table1Marketdemandofsmallreactors近年来，随着国力的不断增强，我国不断提出加强海洋建设的要求，一方面是为了开采海洋中潜藏的各类资源，其中以油气为主。另一方面加强我国的海洋国防，满足南海补给基地和岛礁的能源需求。基于小型堆技术的海洋核动力平台可以提供电力、热能、淡水等资源保障，并且以核能发电供电、供应热能或淡水，可根据需要变换供应点，且具有一次装料运行时间长，运行成本低、无有害气体排放、续航力高、海洋环境适应能力强等优点，是海洋油气开采能源供应和岛礁能源供给的最佳选择[3]。世界上主要发展中国家和新兴工业国家用电需求有限，电网基础设施建设尚不完善，将近75%的发电机组小于500MWe，同时发展中国家的经济实力有限，无法支撑大型反应堆的建设。2013年，我国提出共建“丝绸之路经济带”和21世纪“海上丝绸之路”两大倡议[4]，在“一带一路”建设背景下，构建全球能源互联网，关系到未来全球能源格局，已得到越来越多国家的支持和响应。相对大型堆，小型堆系统简化、安全性高、投资成本低，可有效的满足“一带一路”沿线国家对能源的需求。此外小型堆可应用于航空航天和军事领域，为飞行器和舰艇等提供动力和电源，为军事基地和特殊武器提供能源等。空间核反应堆不仅可以用来产生使飞行器随时升高定位的推力，更主要的是用来生产飞行器本身所需的电能，而且价格低廉、功率密度大，是目前能满足空间飞行全面要求的唯一动力源[5]。小型堆不受天气影响，也和风和太阳的间歇性无关，相较于常规化石燃料或可再生能源，小型堆更加符合前沿作战基地和偏远作战基地对于能源电力的需求。3小型反应堆技术现状3.1具有第三代特征的小型堆技术在现有的小型堆设计中，最为常见的是轻水堆设计。这主要是因为数十年的轻水堆建造及运行经验使得该反应堆拥有技术优势，具有较好的前景。在核蒸汽供应系统设计方面，大部分设计都采用了“一体化”压水堆设计，将一回路的设备集中布置于压力容器中。在经济性方面，轻水堆初始投入较低，总投资也不大，这一特性使得它受到发展中国家的青睐。此外，随着AP1000非能动安全系统的面世及成功推广，“非能动”的理念也被借鉴到现有的小型堆设计中。国际上主要的小型轻水堆发展情况如表2所示，美国、中国、俄罗斯、法国、日本、韩国和阿根廷等国均提出了独立的小型轻水堆设计方案，绝大部分设计方案处于设计或评审阶段，俄罗斯部分堆型已进入建造或运行阶段。其中，基于核动力破冰船技术的KLT-40s反应堆由俄罗斯AfrikantovOKBM设计，基于该堆型设计建造的AkademikLomonosov浮动核电站于2007年在圣彼得堡开工建设，2013年两座35MWeKLT-40s反应堆安装完毕[6]。中国核工业集团公司自2004年开始设计研发我国自主的小型轻水堆ACP100，目前已进入工程设计阶段，ACP100关键设备及软件均属自主研发，示范工程将在福建莆田市进行建设，预计建设两台100MWe的ACP100机组[7]。然而小型轻水堆核燃料利用率较低，若采用一次通过的开式燃料循环，小型轻水堆对铀资源的利用率只有约0.45%。我国已探明铀资源储量不够丰富，若要大力发展核能，则首先应优化铀资源利用，除此之外，随着我国核能的大范围部署，未来的乏燃料处理与管理问题也应该予以重视。表2国际小型轻水堆发展情况概览Table2Summaryofinternationallightwatercooledsmallreactors3.2具有第四代特征的小型堆技术3.2.1小型高温气冷堆小型高温气冷堆是在高温气冷实验堆和大型示范堆的基础上，为了适应国际社会对反应堆安全性越来越高的要求而提出和发展的。该堆型以小型化和固有安全性为特征，保证在任何事故情况下，依靠反应堆较大的负温度反应性系数和?厣?裕度，使反应堆安全停堆；停堆后的余热可以依靠热传导、对流和辐射等自然机理传输到堆外；反应堆功率密度较低，从设计上保证堆芯燃料元件的最高温度限制在其允许的安全温度以下；耐高温的石墨堆芯结构和全陶瓷型的燃料元件避免了发生堆芯燃料元件熔化的危险。其次，由于反应堆规模的小型化，可以采用模块化建造方案，从而降低成本提高经济竞争力。高温气冷堆冷却剂出口温度高，可为工业生产提供过程热，并可用于制氢。国际上主要的小型高温气冷堆发展情况如表3所示，中国、南非、美国、法国、俄罗斯和日本等国均提出了各自的小型高温气冷堆设计方案，用于发电和提供过程热。我国于1992年开始了高温气冷实验堆（HTR-10）的研发工作[8]，由清华大学承担，并于2003年实现了满功率运行。基于实验堆的科研工作和经验，高温气冷堆商用示范堆（HTR-PM）项目于2001年启动，目前处于建造阶段[9]。现阶段高温气冷堆存在如下的技术局限性和需要攻克的技术难题：单堆功率较低且无法精确匹配用户需求，堆芯尺寸过大，初装料操作与维护较为复杂，乏燃料后处理困难，存在石墨粉尘和氧化问题[10]。因此，高温气冷堆并不适合向太空领域、海洋能源平台、陆上独立电网等对功率和体积要求较为严格的市场方向。同时，其乏燃料后处理技术不完善也使得其在燃料经济性与在核能的可持续发展方面的作用不如液态金属冷却快堆。表3高温气冷模块化小型堆发展情况概览Table3Listofhightempe