模塊式小型反應(yīng)堆研發(fā)現(xiàn)狀及前景分析

1、模塊式小型反應(yīng)堆研發(fā)現(xiàn)狀及 前景分析作者:日期:模塊式小型反應(yīng)堆研發(fā)現(xiàn)狀及前景分析-工程論文模塊式小型反應(yīng)堆研發(fā)現(xiàn)狀及前景分析熊厚華 XIONG Hou-hua ;杜繼富 DU Ji-fu ;曾正魁 ZENG Zheng-kui ; 陳志遠(yuǎn) CHEN Zhi-yuan(湖北科技學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，咸寧 437100 )(Institute of Nuclear Science and Technology , Hubei University of Science and Technology , Xianning 437100 , China )摘要：目前的核電站大多數(shù)為裝機(jī)容量較大的反應(yīng)

2、堆，有些甚至達(dá)到了 175 萬(wàn)千瓦的單機(jī)容量，大型堆核電站一次性投入成本高、建造周期長(zhǎng)，且難以適應(yīng)小型電網(wǎng)的需求，而小型反應(yīng)堆恰好可以解決這一問題，全球掀起了模塊式小型核電機(jī)組的開發(fā)熱潮。文章主要介紹了模塊式小型反應(yīng)堆的研發(fā)現(xiàn)狀、用途，并分析了小型堆與常規(guī)堆的優(yōu)劣勢(shì)及其發(fā)展前景。Abstract: At present, most of the current nuclear power plants are the large power capacity types, some can up to 1750MW per nuclear reactor. It has the high in

3、vestment and long construction period, and it can not suit for the small electricity grid problems, but the modular miniature nuclear power reactor can solve these problems. For above, the modular miniature nuclear reactor is highly cared and researched by people all over the world. The paper briefl

4、y summarizes the research and development status, and applications of the modular miniature nuclear power reactor, also analyses the advantages and the prospect of it.關(guān)鍵詞：模塊式；小型反應(yīng)堆；發(fā)展?fàn)顩r；前景Key words: modular ； miniature nuclear power reactor ； research development status ； prospect中圖分類號(hào)：TL42文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章

5、編號(hào)：1006-4311 (2015 ) 02-0030-020引言目前，小型反應(yīng)堆已經(jīng)備受世界各國(guó)的關(guān)注和青睞，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)也鼓勵(lì)發(fā)展和利用安全性能高、系統(tǒng)構(gòu)筑物可靠、投資相對(duì)較小的中小型反應(yīng)堆。 二十一 紀(jì)初期小型堆得到國(guó)際高度重視， 在二十世紀(jì)五六十年代，中小型堆的運(yùn)用已經(jīng) 開始了。早期的研究主要為實(shí)驗(yàn)堆、小型核電站及數(shù)百臺(tái)用于海上艦船的推進(jìn)動(dòng) 力系統(tǒng)的小型堆。當(dāng)前科學(xué)家、企業(yè)家們所關(guān)注的小堆主要是指小型先進(jìn)模塊化多用途反應(yīng)堆，其最大特點(diǎn)是一體化、模塊化、安全性能高及多用途。一體化是指將反應(yīng)堆及反 應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)一體化集成為反應(yīng)堆模塊；模塊化是指系統(tǒng)構(gòu)筑物可在工廠進(jìn)行 加工制造，在現(xiàn)場(chǎng)

6、快速安裝；安全性能高主要是采用了能動(dòng)結(jié)合非能動(dòng)理念，采用了固有安全性設(shè)計(jì)，具安全性不低于目前國(guó)際先進(jìn)的三代核電技術(shù)要求；多用途是指小堆可以用于發(fā)電、工業(yè)供熱供汽、為城市供暖及海水淡化。1國(guó)內(nèi)外小堆研發(fā)現(xiàn)狀1.1 概況目前，美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)、韓國(guó)走在了小堆研發(fā)的前列。世界上進(jìn)行小堆研發(fā)的國(guó)家很多，但真正投入建設(shè)項(xiàng)目并不算多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)注冊(cè)的小堆有40余種，被行業(yè)公認(rèn)為具有應(yīng)用前景的有十余種。全球正在運(yùn)行的中小型堆共計(jì)132座，其中小型堆26座，中型堆106座，正在建造中的13座。擁有中小型堆的國(guó)家28個(gè)，所有這些中小型堆的總?cè)萘拷?6萬(wàn)兆瓦，累計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)超過5000堆年。1.2

7、美國(guó)研發(fā)現(xiàn)狀美國(guó)一直走在世界研發(fā)前列，目前已進(jìn)行了 6種不同的小堆設(shè)計(jì)。美國(guó)政府也 給予小堆研發(fā)很大的支持。美國(guó)能源部計(jì)劃資助兩種小堆設(shè)計(jì)研發(fā)， 預(yù)計(jì)在未來(lái) 5年內(nèi)投入約5億美元的資金。2012年11月，美國(guó)巴威公司的mPower反應(yīng) 堆獲得了 7900萬(wàn)美元的資金支持，用于在2022年實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)的原型堆。1.3 俄羅斯研發(fā)現(xiàn)狀俄羅斯無(wú)論是在核武器發(fā)展方面還是在核能和平利用方面都走在世界前列， 在 小堆研發(fā)方面也有所建樹，目前正在研發(fā) 5種不同的小堆。2013年俄羅斯研發(fā) 的金屬冷卻一體化快堆 SVBR-100的培訓(xùn)模擬機(jī)已經(jīng)開始運(yùn)行，預(yù)計(jì)2019年實(shí) 現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。1.4 我國(guó)研發(fā)現(xiàn)狀中國(guó)核

8、工業(yè)集團(tuán)公司、中國(guó)廣核集團(tuán)公司、國(guó)家核電技術(shù)有限公司、中國(guó)電力 投資集團(tuán)公司、清華大學(xué)都在開展小堆的前期工作。 甚至中船重工集團(tuán)也涉足其 中，進(jìn)行了海洋核動(dòng)力平臺(tái)的研發(fā)，初步形成了不同功率匹配的海洋核動(dòng)力平臺(tái) Zu 0中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司憑借多年技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)，在小堆研發(fā)上走在行業(yè)的前列。目前，中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司研發(fā)的 ACP100投資金額達(dá)5億余元，已經(jīng)進(jìn) 入工程設(shè)計(jì)階段，ACP100的關(guān)鍵設(shè)備及軟件均屬自主研發(fā)。 示范工程在福建莆 田市進(jìn)行建設(shè)，預(yù)計(jì)建設(shè)兩臺(tái)100MW 的機(jī)組，計(jì)劃2017年投入運(yùn)行。清華大學(xué)研發(fā)的10MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆，用氮?dú)庾骼鋮s劑、用涂敷顆粒作燃料、用石墨作慢化劑，于2

9、000年12月建成臨界，標(biāo)志著我國(guó)對(duì)高溫氣冷堆技術(shù)的研發(fā) 取得了突破性成果，基本掌握了核心技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，20MW 的高溫氣冷堆核電站示范工程落戶于山東石島灣， 于2012年12月9日 正式開工建設(shè)，成為我國(guó)第一個(gè)有工程實(shí)踐的小堆項(xiàng)目。2小型堆的優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)分析2.1 小堆的優(yōu)勢(shì)與大型反應(yīng)堆相比，小型堆具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，主要有以下四方面：縮短建造周期，降低建造成本。因小堆實(shí)現(xiàn)模塊化建造，這些模塊可在工廠 中批量生產(chǎn)，相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)施工和組裝而言，建造成本大幅下降，建造周期大大縮 短。一般預(yù)計(jì)首批機(jī)組的施工周期在 3年左右，后續(xù)機(jī)組建設(shè)周期一般為 2年。建造模式可以是多期單機(jī)組或多期雙

10、機(jī)組。一般在前期建設(shè)時(shí)給后續(xù)機(jī)組留有充分的物理分隔，以便可以在前期機(jī)組運(yùn)行的同時(shí)進(jìn)行后續(xù)機(jī)組的建設(shè)。這樣的建造模式可以使得若干個(gè)單模塊、總功率相同的廠址面積同等功率的單機(jī)組廠 址相當(dāng)或更小。融資難度降低，相對(duì)大型核電站而言，小堆建設(shè)在項(xiàng)目初期，無(wú)需籌集龐大 的資金，當(dāng)前期建成發(fā)電時(shí)，發(fā)電利潤(rùn)將為后續(xù)建設(shè)提供資金保障。實(shí)現(xiàn)按需建造。較大的國(guó)家可以根據(jù)自身需求選擇建設(shè)小型模塊機(jī)組，而一些小國(guó)或郊區(qū)、偏遠(yuǎn)地方則只能建設(shè)小堆，因?yàn)槠潆娋W(wǎng)可能由于太小而無(wú)法承受 1000兆瓦以上的單臺(tái)機(jī)組。2.2 小堆的劣勢(shì)小堆雖然有諸多優(yōu)勢(shì)，但這些優(yōu)勢(shì)也不是絕對(duì)的，也存在其發(fā)展劣勢(shì)，主要包括四個(gè)方面：建造成本未必降低。

11、與汽車、智能手機(jī)或類似小型裝置相比，反應(yīng)堆的單位千瓦材料成本可能隨著尺寸的下降而增加， 這是因?yàn)榉磻?yīng)堆規(guī)模小了后，堆芯的 體積熱釋率小了，單位功率的系統(tǒng)設(shè)備設(shè)備費(fèi)、燃料費(fèi)、操縱員培訓(xùn)費(fèi)、人員管 理費(fèi)、審評(píng)費(fèi)及后處理費(fèi)等等都可能增加。建造周期未必縮短。由于各種原因?qū)е潞罄m(xù)小堆項(xiàng)目未按原計(jì)劃進(jìn)行，其整體的建設(shè)周期可能就不占優(yōu)勢(shì)了。審批方面的新問題。由于目前各國(guó)的法律法規(guī)、核電項(xiàng)目審評(píng)程序等都主要是針對(duì)大型核電站的，發(fā)展小堆就必須為小堆制造設(shè)施制定新的審批和檢查程序，包括對(duì)核安全設(shè)備的檢查、試驗(yàn)。乏燃料管理問題。小堆的乏燃料更復(fù)雜，這是因?yàn)樾《逊θ剂戏植荚谠诟嗟膱?chǎng)址中，其管理可能更復(fù)雜，需要投入的

12、資金也更大。目前的乏燃料管理技術(shù) 主要是針對(duì)輕水堆。而有的小堆建在地下，這可能使小堆退役更為復(fù)雜。3小型堆的發(fā)展前景分析3.1 各機(jī)構(gòu)對(duì)小堆前景預(yù)測(cè)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)曾對(duì)小型堆的發(fā)展進(jìn)行過預(yù)測(cè)，估計(jì)在2030年全球?qū)⒔ㄔO(shè)4396座小型堆。國(guó)際著名的美國(guó)法維翰調(diào)查咨詢公司曾預(yù)測(cè)，到 2030年全球?qū)⒂?800余萬(wàn)千瓦的模塊式小型堆在運(yùn)行。美國(guó)芝加哥大學(xué)等國(guó)際研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，至U 2050年，模塊式小型堆將占核電總裝機(jī)容量的 25% o美國(guó)全球核能競(jìng)爭(zhēng)力顧問委員會(huì)表明，美國(guó)在2030年后市場(chǎng)對(duì)小型反應(yīng)堆的需求將超過 500 座。各機(jī)構(gòu)研究均表明小型反應(yīng)堆在未來(lái)幾十年有很大的發(fā)展空間及前景。3.2 各國(guó)對(duì)

13、小堆需求分析由于不同國(guó)家的國(guó)情不同，對(duì)小型堆應(yīng)用的領(lǐng)域和目標(biāo)也有所不同。 對(duì)發(fā)展中 國(guó)家而言，由于其經(jīng)濟(jì)實(shí)力發(fā)展相對(duì)較弱、電網(wǎng)容量較小，大型核電建設(shè)較適合 少數(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的大國(guó)。而小型堆由于其建設(shè)周期短、 運(yùn)行相對(duì)簡(jiǎn)單安全、一次性 投入少的特點(diǎn)，適合發(fā)展中國(guó)家電力需求。中國(guó)對(duì)小堆需求。我國(guó)內(nèi)陸很多地區(qū)、特別是邊遠(yuǎn)山區(qū)，受到地理位置、交 通、冷卻水源、電網(wǎng)容量和融資能力等條件的限制，大型核電站的建設(shè)受到很大 的限制，而小型堆一來(lái)可以克服這些不利因素，二來(lái)可以滿足小電網(wǎng)發(fā)電需求。 城市供熱是我國(guó)目前比較重要的能源需求問題， 開發(fā)利用小型堆“以核代煤”的 發(fā)展策略迫在眉睫，利用供熱堆是解決二氧化碳污染

14、及緩解霧霾的重要舉措。我國(guó)是世界上水資源比較缺乏的國(guó)家之一，用小型堆進(jìn)行海水淡化是比較可行的途 徑，這方面的關(guān)鍵攻克后小堆在這方面的需求會(huì)急劇增加。美國(guó)對(duì)小堆需求。美國(guó)之所以投入大量人力、物力、財(cái)力致力于小型堆的研 發(fā)，正是因?yàn)榭吹搅耸澜缧⌒投训臉酚^發(fā)展前景及美國(guó)本土的極大需求，美國(guó)小堆的需求主要是用于取代逐漸退役的化石燃料電廠以及美國(guó)一百多座面對(duì)著退 役的大批核電站，這些核電站基本運(yùn)行了 20年以上。俄羅斯對(duì)小堆需求。俄羅斯的最大特點(diǎn)是地域遼闊，人口分散，一年中寒冷 天氣占時(shí)長(zhǎng)，供暖、供電需求非常大。因此對(duì)小堆的需求無(wú)疑也是超過世界上絕 大多數(shù)的國(guó)家的。其他國(guó)家對(duì)小堆需求。在目前全球幾十個(gè)有意采用核能的國(guó)家中， 很多國(guó)家 的核電站一方面面臨著退役，另一方面面臨節(jié)能減排的壓力，各國(guó)家均需要建設(shè) 小堆來(lái)滿足電網(wǎng)需求，同時(shí)取代化石電廠，達(dá)到節(jié)能減排的目的?？梢姡?qū)?小堆的需求是巨大的。4結(jié)語(yǔ)模塊式小堆因其安全性高、建造周期短、一次性投入少，受到全球的青睞方面小堆能滿足中小電網(wǎng)需求，特別是適合偏遠(yuǎn)山區(qū)建設(shè)，另一方面可以作為城市供熱用，也