先進小型反應堆技術(shù)現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢研究(編輯修改稿)
2025-07-19 20:15 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 用一次通過的開式燃料循環(huán)，%。我國已探明鈾資源儲量不夠豐富，若要大力發(fā)展核能，則首先應優(yōu)化鈾資源利用，除此之外，隨著我國核能的大范圍部署，未來的乏燃料處理與管理問題也應該予以重視。 表2 國際小型輕水堆發(fā)展情況概覽 Table 2 Summary of international light water cooled small reactors 具有第四代特征的小型堆技術(shù) 小型高溫氣冷堆 小型高溫氣冷堆是在高溫氣冷實驗堆和大型示范堆的基礎(chǔ)上，為了適應國際社會對反應堆安全性越來越高的要求而提出和發(fā)展的。該堆型以小型化和固有安全性為特征，保證在任何事故情況下，依靠反應堆較大的負溫度反應性系數(shù)和?厴?裕度，使反應堆安全停堆；停堆后的余熱可以依靠熱傳導、對流和輻射等自然機理傳輸?shù)蕉淹?；反應堆功率密度較低，從設(shè)計上保證堆芯燃料元件的最高溫度限制在其允許的安全溫度以下；耐高溫的石墨堆芯結(jié)構(gòu)和全陶瓷型的燃料元件避免了發(fā)生堆芯燃料元件熔化的危險。其次，由于反應堆規(guī)模的小型化，可以采用模塊化建造方案，從而降低成本提高經(jīng)濟競爭力。高溫氣冷堆冷卻劑出口溫度高，可為工業(yè)生產(chǎn)提供過程熱，并可用于制氫。 國際上主要的小型高溫氣冷堆發(fā)展情況如表3所示，中國、南非、美國、法國、俄羅斯和日本等國均提出了各自的小型高溫氣冷堆設(shè)計方案，用于發(fā)電和提供過程熱。我國于1992年開始了高溫氣冷實驗堆（HTR10）的研發(fā)工作[8]，由清華大學承擔，并于2003年實現(xiàn)了滿功率運行?；趯嶒灦训目蒲泄ぷ骱徒?jīng)驗，高溫氣冷堆商用示范堆（HTRPM）項目于2001年啟動，目前處于建造階段[9]。 現(xiàn)階段高溫氣冷堆存在如下的技術(shù)局限性和需要攻克的技術(shù)難題：單堆功率較低且無法精確匹配用戶需求，堆芯尺寸過大，初裝料操作與維護較為復雜，乏燃料后處理困難，存在石墨粉塵和氧化問題[10]。因此，高溫氣冷堆并不適合向太空領(lǐng)域、海洋能源平臺、陸上獨立電網(wǎng)等對功率和體積要求較為嚴格的市場方向。同時，其乏燃料后處理技術(shù)不完善也使得其在燃料經(jīng)濟性與在核能的可持續(xù)發(fā)展方面的作用不如液態(tài)金屬冷卻快堆。 表3 高溫氣冷模塊化小型堆發(fā)展情況概覽 Table 3 List of high temperature small modular gas cooled reactors 小型液態(tài)金屬冷卻堆 液態(tài)金屬具有良好的導熱性，沸點較高，反應堆可運行于常壓狀態(tài)，堆芯冷卻劑出口溫度較高，可實現(xiàn)較高的熱電轉(zhuǎn)換效率；中子能譜較硬，具有較強的易裂變核素增殖和核廢料嬗變能力。液態(tài)金屬冷卻小型堆由于尺寸較小，中子泄漏效應顯著，冷卻劑空泡價值在整個壽期內(nèi)均為負，避免了大型商業(yè)快堆設(shè)計重點關(guān)注的正冷卻劑空泡系數(shù)問題，保證了反應堆的固有安全性。相比鈉，液態(tài)鉛及鉛鉍合金化學惰性好，與水和空氣無劇烈化學反應，對裂變產(chǎn)物中危害較大的放射性碘、銫具有包容性，且其密度隨溫度變化較為顯著，因此鉛冷模塊化小型堆具有較強的自然循環(huán)能力，可設(shè)計為自然循環(huán)運行模式，并可在反應堆事故停堆工況下，依靠自然循環(huán)排出堆芯衰變余熱。 國際上主要的小型液態(tài)金屬冷卻堆發(fā)展情況如表4所示。目前基于液態(tài)鉛或鉛鉍合金冷卻劑的小型液態(tài)金屬冷卻堆設(shè)計方案包括美國ENHS和STAR、俄羅斯SVBR100和BRESTOD300等[1013]，基于液態(tài)鈉冷卻劑的小型液態(tài)金屬冷卻堆設(shè)計方案包括日本4S、美國PRISM和NHPM[1415]?；阢U基冷卻反應堆驅(qū)動的核潛艇研發(fā)過程中積累的80多堆年運行經(jīng)驗，俄羅斯在小型鉛基冷卻反應堆研發(fā)方面處于領(lǐng)先地位，用于核廢料嬗變和閉式燃料循環(huán)的BRESTOD300目前已進入建造階段。由中國原子能科學研究院建造的中國首座鈉冷快堆――中國實驗快堆，于2011年7月成功并網(wǎng)發(fā)電，標志著我國已掌握先進鈉冷快堆的設(shè)計建造技術(shù)。 由于鈉具有化學性質(zhì)活潑的特點，鈉冷快堆發(fā)生鈉的泄漏將導致鈉火和鈉水事故等，因此需要額外設(shè)計密封回路以及其它系統(tǒng)以防止鈉水反應、鈉火反應的發(fā)生。液態(tài)鉛或鉛鉍合金密度較高，對于包殼等結(jié)構(gòu)材料具有較強的腐蝕和沖蝕作用，同時在堆內(nèi)輻照作用下形成有毒的210Po，因此，鉛基冷卻反應堆需要增加涂層或氧控等設(shè)施減緩腐蝕作用，并設(shè)置210Po防護措施。 表4 小型液態(tài)金屬冷卻堆發(fā)展情況概覽 Table 4 Summary of liquid metal cooled small reactors 小型熔鹽堆 熔鹽堆具有很強的負溫度反饋系數(shù)和空泡系數(shù)，允許自動負荷跟蹤運行。溫度升高引起熔鹽膨脹溢出堆芯，降低反應性。燃料本身是流體，不存在堆芯熔化的可能性。熔鹽溫度過高時，會熔化預先設(shè)計的冷凍塞， 將燃料鹽自動排入預先準備的、非能動冷卻的、次臨界安全的儲罐內(nèi)。熔鹽堆中的易裂變材料濃度也可以連續(xù)調(diào)整，消除過多的剩余反應性，而且無需加入可燃毒物。此外，許多裂變產(chǎn)物在熔鹽中都以離子形式存在，與氟元素相結(jié)合形成穩(wěn)定的氟化物留在鹽內(nèi)，其它揮發(fā)性或不能溶解的裂變產(chǎn)物，如Xe等，可連續(xù)地排出并儲存在反應堆回路外部，避免吸收中子而產(chǎn)生中毒效應，提高反應堆的中子經(jīng)濟性。 國際上主要的小型熔鹽堆發(fā)展情況如表5所示。熔鹽堆的概念始于美國橡樹嶺國家實驗室
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