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四代核能突圍的關鍵技術分析

2019-11-20 16:53:27 來源:中國核工業

第四代核能系統由核反應堆、能量轉換系統以及必要的核燃料循環設施組成。然而,在當今可再生能源突飛猛進的情況下,作為低碳能源的一部分,第四代核能反應堆必須從設計上增強其靈活性,加大與其他可再生能源的融合,方可適應不斷變化的市場需求。為此,應加強第四代核能系統關鍵技術及前沿技術的研究開發,夯實基礎性技術基礎,攻克核心技術、關鍵材料、關鍵裝備制造等短板。

超高溫氣冷堆

模塊式高溫氣冷堆使用全陶瓷包覆顆粒燃料,采用氦氣冷卻,石墨慢化,可在高溫下運行,具有固有安全性、系統簡單、發電效率高、制氫、供熱等用途廣泛的優點,將成為首批被驗證的第四代核反應堆。其關鍵技術包括:

全陶瓷包覆顆粒燃料元件技術、全陶瓷堆芯結構材料技術、不停堆換料系統技術、核級石墨制造技術、中間熱交換器制造技術、核能制氫技術、氦氣輪機技術,以及超高溫運行狀態下,特殊耐高溫、耐腐蝕的材料研制技術,堆內構件材料及結構分析、燃料元件高溫性能試驗、熱工與安全分析等。

我國在國家科技重大專項的支持下,已逐步掌握了高溫氣冷堆相關技術,在燃料制造、蒸汽發生器等關鍵設備的研制方面取得了突破,目前正在建設的200MW高溫氣冷堆核電站示范項目預計在2020年投入運行。

鈉冷快堆

鈉冷快堆是第四代核反應堆中研發進展最快的堆型。鈉冷快堆因其在固有安全性、可增殖核燃料、大幅度提高鈾資源利用率,以及通過嬗變長壽命放射性錒系元素,實現核廢物最少化等方面的優勢而受到世界各國的重視。由鈉冷快堆與先進后處理構成的先進核能系統,是支撐先進核燃料循環的關鍵環節,是實現核裂變能可持續發展的重要途徑。其關鍵技術包括:

金屬燃料和材料技術、干法后處理技術、新一代軟件和數字快堆技術、總體設計技術、安全運行與智能維修技術、關鍵設備制造技術、非能動停堆和余熱排出技術、革新型動力轉換技術等。

我國在示范快堆成功建造和運行的基礎上,將掌握大型鈉冷快堆設計、建造、關鍵設備制造技術等,為商用鈉冷快堆奠定基礎。預計到2050年,實現商用鈉冷快堆規模化發展。

超臨界水冷堆

超臨界水冷堆的主要優點是熱力學效率高,系統簡化,可繼承和延續現有壓水堆技術和超臨界火電技術。加拿大、歐盟、日本、俄羅斯都在開展超臨界水冷堆的技術研發。我國自2007年開始,先后完成了超臨界水冷堆關鍵科學問題的基礎研究與技術研發,技術方案的IAEA專家審查等。其關鍵技術包括:

堆芯設計技術、安全系統分析與設計技術、燃料元件包殼材料研制技術、熱工水力及安全相關實驗技術。

鉛冷快堆

鉛冷快堆是以液態鉛或鉛鉍合金(LBE)等重金屬為冷卻劑的快中子反應堆。鉛/鉛鉍快堆以閉式燃料循環為特征。鉛/鉛鉍快堆因其良好的固有安全性、較高的核燃料增殖和核廢料嬗變能力,成為同時具有特殊場合發電、供熱、增殖、嬗變的多用途反應堆。近年來,由于加速器驅動次臨界(ADS)嬗變反應堆系統和海上浮動核電平臺研究的興起,鉛冷快堆在世界范圍內再次得到重視,研發加速。俄羅斯、歐盟、美國、韓國和日本均將鉛鉍快堆列入其核能長期發展規劃,并制定了相應的發展計劃。其關鍵技術包括:

設計技術、冷卻劑工藝技術、抗高溫、耐腐蝕結構材料研制技術、燃料和新型包殼材料技術、鉛鉍合金除釙技術、氧控與防腐技術、關鍵設備研制技術、抗震技術、智能運維與檢修技術等。

熔鹽堆

熔鹽堆是以熔鹽作為冷卻劑的反應堆。得益于其熔鹽冷卻劑的高溫、低壓、化學穩定性、高熱容等特性,熔鹽堆可建成常壓、緊湊、輕量化和低成本的反應堆(小型模塊化);熔鹽堆運行只需少量水(無水冷卻),可實現在干旱地區高效發電;輸出溫度可達700°C以上,輸出的高溫熱能不僅可用于布雷頓循環發電,也可用于工業生產和高溫制氫、吸收二氧化碳制甲醇等,從而緩解氣候問題和環境污染,實現核能綜合利用。

熔鹽堆采用液態燃料,核燃料直接融于熔鹽冷卻劑中,能夠在線添加核燃料和處理裂變產物,是適合于釷基核燃料高效利用的堆型。其關鍵技術包括:

熔鹽堆設計技術、關鍵設備制造技術、鈾釷燃料循環技術、基于氟鹽體系的干法后處理技術、耐高溫腐蝕和耐輻照材料技術、燃料鹽技術、放射性廢物處理處置技術、釷基熔鹽堆安全標準技術等。

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