先进核反应堆 ——新能源概论结课作业

先进核反应堆
新能源概论结课作业
摘 要：目前,全球能源正处于向清洁低碳转型发展的重要时期。面对碳达峰、碳中和的目标,核电以其巨大的能量以及清洁高效的特征备受瞩目,步入优化产业结构和能源结构的主战场。第四代反应堆作为核能发电的未来，具有更高的安全性和经济性。Gen-IV的技术开发与应用设想解决了保障重大核能安全、加强对核害防治和防核扩散的重大核能工程难题,减少对民用核燃料的能源浪费和对自然资源的废物综合利用,降低建造和建设投入巨资运行这些大型民用核电站的经济风险和技术成本。美、俄、日、韩等国外主要核能国家正加强先进核能系统的国际合作，积极开展先进核反应堆技术研发。近年来,我国高度重视和积极投入先进核能系统的创新研发和示范工作。
关键词 核电；第四代；核反应堆；先进；国内外

引言
根据此前世界核协会(WNA)近日公布的最新统计资料,截止到2021年1月1日,全球已经至少有32个发达国家正式开始投入使用大型核能设备进行发电,其中全球共有441台正式开始投入投产运营的大型核电动力设备,总设计装机容量大约为392.4GWe。联合国最新统计的数字资料表明,到2050年世界各国的人口仍将增长20多亿。据中国政府间气候变化理事会(IPCC)的一份专题研究报告预测,2000年~2050年,如果我国的经济继续保持高速增长,那么对于电力的需求将会每年提高接近8倍,即便我国的经济增长相对缓慢,那么对于电力的需求将会翻番。全球对于生态环境仍然存在一种迫切的愿景,那就是维护生态环境的清洁。由于以上的原因,预期到2050年将会有数百至数千座的新型反应堆建成投产。其目的主要是为了让核电比其它能源拥有更高的成本和效益,并且让核电厂的安全性达到不再必须进行场外分离或疏散处理的高级技术水平，也包括降低废弃物排放、防止核材料的扩散以及实现能源可持续性发展。

1 第四代核反应堆
1.1 四代堆概念
第四代反应堆，是一种新型的反应堆类型，比如超高温反应堆，快反应堆等。其中，超高温反应堆（VHTR）是一种具潜力的高效产氢方式，可降低燃料电池成本；第四代反应堆在永续性、安全性、可靠性、经济性、抑制核扩散与物理防护上有大量的改善。
第四代大型核电子能反应堆(Gen-IV)的设计概念2009年美国核学会国际年会上被正式提出。在当年11月的冬季物理学院学术会议上,进一步地研究明确了一个Gen-IV的技术开发与应用设想。美国、法国、日本、英国等多个核电发达国家于2000年共同参与组建核电Gen-IV核电国际技术讨论会和论坛,拟用2~3年半的时间在未来基本完成核电gen-iv技术研发的国际目标发展规划。此项核能工程总的目标任务和主要目标就是为了解决保障重大核能安全,加强对核害防治和防核扩散的重大核能工程问题,减少对民用核燃料的能源浪费和对自然资源的废物综合利用,降低建造和建设投入巨资运行这些大型民用核电站的经济风险和技术成本。

1.2 四代堆研发目标
1.2.1 实现可持续性能力的目标
Gen-IV的可持续性能力目标主要包含了燃料资源的有效使用、废弃物管理及在物质上对核扩散进行限制。
可持续发展能力目标1: Gen-IV将为我国乃至全球提供一种满足清洁空气需求、长期稳定可靠、燃料被有效综合利用的新型可持续发展能源。
可持续发展能力目标2: Gen-IV所产生的核垃圾废料数量极小;所采用的新型核废材料管理模式将既可以妥善地针对核垃圾废弃物进行安全的处置,又可以显著降低工作人员的药品剂量,从而有助于改进公众的健康与环境。
可持续发展能力目标3: Gen-IV要把由于商业化的核燃料再生循环所引起的核扩散危险可能性控制在最小范围内,使之很难被转换成军事用途,并且为了防止恐怖主义活动提供一种更加有效的手段。
1.2.2 安全和可靠性的目标
在正常的运行状态或者假想的时间短暂瞬态状态下,核能系统均必须始终保持它的安全充足裕量,防止各种事故的发生,并且要采取有效的事故预防和缓解措施。
安全和可靠性目标1: Gen-IV在安全、可靠地运行上会明显地优于其他核能体系。该项技术旨在通过降低能够诱发事故或者让一般事故进展为严重事故的情况下,减少可能引起严重事故的情况下,设备问题及人因等各种问题产生的数量。为了使安全、可靠度得以提升至最高层次,第四代核能发电系统必须在国际上继续引入和采用工业界与监督管理机构共同建立的一套有关国家法规,并在国内采用未来先进技术。
安全和可靠性目标2: Gen-IV堆芯破碎的可能性很小;即便有了损坏,程度也不会太轻。此种目标是对于业主/经营商/操作者来说是至关重要的。多年来,我们都在努力降低垃圾堆芯破碎后发生的风险。所采取的措施主要有: pra 分析法、编写用户需求文档、在安全体系中引入非能动的概念等。
安全和可靠性目标3:在发生事故情况下无厂外排气剂释放,不必再需要进行厂外排气剂处理。公众、尤其是那些生活在核设施附近的人们都会认为必须要求厂外的应急措施,它们是核能不安全、可靠的证明。所以, gen - iv 在其设计中的一个奋斗方向便是通过设计并且采用了先进的技术来解决厂外的应急问题。
1.2.3 经济性的发展目标
gen-iv将必须继续坚持采取一些重大的关键步骤措施来彻底减少用于新建一个大型核电厂的巨大投资流动成本费用和巨大财政成本风险,否则它们在最终实现安全可靠和持续高效利用核电能力、安全和技术可靠性等诸多目标方面的巨大缺陷就可能会被更加昂贵的巨大资本流动成本和巨大发电设备费用以及相与其对应的巨大财政风险而彻底淹没。随着近年来由于我国再生能源发电事业的快速健康发展以及对国家电力管理体制制度改革的逐渐推入深化,对于提高核电设备实际使用经济性能的要求也必将更加迫切。新建一个大型核电厂新建单位长期工程造价($1500_{2000/kw,是其他大型化石生物燃料火力发电厂新建单位长期工程造价的2}4倍)和相对较长的装备建设工程期、审批装备工程期、退役装备工程期,与其他大型电力企业长期生产经营模式基本是不能够互相比的。
1.3 第四代压水反应堆堆型
在三代高温压力热水反应堆堆的技术堆型基础上,国际知名核能源及科学工程技术相关领域专家们研究制定了第四代压水反应堆的技术堆型发展战略规划,并分别提出以下六种可供参考的技术堆型。
1.3.1气冷快堆系统（GFR）
GFR系统指的是快速高中子谱线的氦冷式核反应堆,采用全封闭式固体燃料加热循环。像热堆的中子谱堆和氦冷却热堆一样,氦热堆冷却的试剂和其出口的极度高温,使它不可能用于发电、生产氧化氢或使用高效率的水处理热。GFR可以采用直接用氢循环生产氦气的涡轮机进行发电,或者是采用其生产工艺中的热容器进行氢的热化学制备生产。通过优化综合利用和加快中子谱与锕系元素的完全融合再循环,GFR将长使用寿命的高放射性固体废物的处理产生量成本降到最低。
1.3.2铅合金液态金属冷却快堆系统（LFR）
LFR系统是快堆用中子在光谱下将铅或铀与铅/铋具有共晶体的液态复合金属燃料冷却的快堆,并系统采用全封闭式有效燃料转化循环,以便于实现一种可快速转换铅和铀的有效燃料转化并同时控制锕系元素。该循环系统在城市中心或邻近地区固体燃料安全循环基础设施中成功实施了含有完全的可再循环锕系元素的固体燃料安全循环。LFR是依靠自然对流进行冷却,反应堆内部出口处的冷却催化剂反应温度一般为550℃,若同时采用先进隔热材料则有可能反应会温度达到800℃。较高的工作温度下也可以直接采用热化学反应工艺用来生产硫化氢。
1.3.3熔盐反应堆系统（MSR）
MSR 是该系统在各种超热谱和中子谱反应堆的混合循环中在熔盐元素燃料及其混合物中可以生产完全裂变的热能,采用对锕系元素燃料实施完全裂变再循环的熔盐燃料混合循环。熔盐燃料作为石墨燃料的热流经薄层石墨材料堆芯表层进入连接石墨堆芯加热器的通道,产生大量石墨超离子热谱和大量中子谱。熔盐加热反应器所产生的一定程度热量通过中间期的光电热交换器直接将热传到光电二极管的热回路,然后经过末期中间期的热交换器后再直接传到一定程度能量的热电流转换器和控制处理系统。参考标准适用于变电厂的典型交流输电功率密度控制标准水平大约为1000MWe。
1.3.4液态钠冷却快堆系统（SFR）
SFR 快堆系统主要是快速的中子谱液态钠热却冷堆,采用一种可有效率地控制锕系元素及其它可快速转换氧化铀的热能转化的全封闭式固体燃料冷却循环。该元素燃料的再循环系统采用完整的锕系元素燃料再循环,有两个主要解决方案:
1.中等温度规模(150~500MWe)的锆酸钠盐制冷堆,使用高的铀-钚-次锕系元素-锆酸铝合金作为燃料,并主要采用在与加热反应堆相直接结合的加热设施中以采用高温金属冶金和热处理工艺为主要基础的合金燃料加热循环;
2.中到大和微到小不同规模(500~1500MWe)的大型硅酸钠无机盐水泥制冷堆,使用大量量的铀-235或钚和其他氢氧化物燃料作为复合燃料,采用目前主要位于欧洲美国的可服务于若干个大型的核反应堆的美国技术研究中心作为工作站和地点、以先进的工业废水处理生产工艺为主要技术核心基础的新型复合燃料技术进行废水循环。
1.3.5超临界水冷堆系统（SCWR）
SCWR 系统是一种高温、高压力的水冷燃料堆,在气和水的流体热力学温度临界点(374℃、22.1Mpa)以上高温运行。SCWR电子系统主要管理设计方案用于有效的民用电力设备生产,它的电子堆芯管理设计方案主要有两个:热中性电子谱或快速热中子谱,在此基础上,SCWR电子系统用户可以自由选择一种用于锕电子系统的管理设计方案。因此,该发电系统主要提供了两种新型燃料储能循环解决方案:
1.在热中子谱堆上的开式循环;
2.在元素快中子谱系水堆上的半封闭式水再循环,在谱堆中心沸点位置以先进的热水处理技术为主要基础即可对锕系元素中子实施完全的水再循环。
1.3.6超高温气冷堆系统（VHTR）
VHTR是一种采用一次性的通过式氧化铀作为燃料氦气循环的高温石墨作为慢化剂的氦气气冷堆。它可以提供氢的热量,堆芯和进出口处的温度控制为1000℃,使得它完全可以为我国石油化工或其它生产行业需要生产硫化氢或其它工艺氢供热。VHTR系统的主要被广泛设计为形成一个高效系统,为很大程度范围的应用高温、耗能的非直流电动化工艺应用提供一个工艺级散热。该发电系统在通过采用大量铀/钨和钚作为燃料进行循环化以提供技术改进后的固体废物排放量以及最小化产率方面仍然具有很大灵活性。因此VHTR不仅可用于提供广泛的各种工艺热处理应用,并且不仅是一种高效率的电力设备生产解决方案,同时它又保留了传统模块化的高温高压气冷反应堆所不能具有的理想的安全性能特点。

2国内外先进核电发展
2.1 国外主要核能国家
2019年,美国总统签订使得美国的核能法规实现了现代化并支持美国下一代先进反应堆的法案《核能创新和现代化法案》( neima ),其中包括《核能创新能力法案》( neica )、《核能领导法案》( nela )等,其中neica主要支持先进反应堆的建设和部署,开发基于快中子的研究堆以测试先进反应堆的燃油和材料; nela旨在促进先进核反应堆技术研发,巩固美国在民用核能领域的全球主导地位。
俄罗斯联邦政府颁布《俄联邦"核工业综合体"发展国家纲要》,旨在通过安全发展核能,在遵守核不扩散的前提下,巩固俄罗斯在国际核技术和服务市场上的领先地位,包括加强核能技术创新和发展新一代核能技术。俄罗斯正致力打造以压水堆、快堆、浮动堆和空间核动力为代表的反应堆技术,成为支撑本国核能发展的重要源动力。与此同时,俄罗斯国家原子能集团公司(ROSATOM)将第4代核能系统研发国际合作框架协议有效期延长10年,加强先进核能系统的国际合作开发。
欧洲原子能共同体(euratom)成立了欧洲国家可持续核工业项目,把全球工业领域及其研究合作伙伴凝聚到一个新兴领域,共同开发第4代快速堆燃物技术,属于欧盟国家战略性能源科学与技术项目的组成部分。EURATOM可持续发展核能的长期目标是至2050年完成可持续发展的第4代核裂变反应堆的示范验证,并拓展核能(除发电外)技术的广泛应用。
日本内阁2018年批准的《日本能源发展战略规划》,至2030年核能占比将达到约20%,推动实验快堆和高温气冷堆两种方式来支持未来核能的研发,高温气冷堆还可以用来生产专门用于燃料和动力电池车辆和冶炼钢铁的氢气,降低大量温室化学物质的排放,实现能源战略目标。韩国积极开展钠冷快堆、高温气冷堆和全自然循环铅基微小堆等方面的研究。
2.2 国内先进核能技术发展
能源产业主管部门去年颁布的《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》中已经首次明确提出我国要积极地大力推动我国能源产业技术革命,抢占能源科技进步的技术制高点。我国将在今后五年内还将继续深入贯彻落实国家创新发展驱动核能发展国家战略,完善其在核能相关技术应用领域的核能科学成果研发和核能产业链服务体系,支持在中小型、高温核能气冷快速堆(SMR)、钠冷快速热堆、核能高温制氢等相关技术应用领域积极开展核能科学成果研究和技术示范应用工作。助推清洁低碳能源供应。
我国的陆地和海域自然生态环境多种多样,多用途 SMR 具有较为广泛的应用前景。过去10年里,在一体化小型堆核电机组、热点联产、城市供暖、海水淡化等领域加大了研发力度,推进核能综合利用、智慧核能等方面的应用。目前 ACP100、CAP200、和美系列一体化多用途供热堆、ACPR50S 均在积极部署工程示范项目的前期工作,满足不同领域的应用需求。
近年来,我国高度重视和积极投入先进核能系统的创新研发和示范工作。在能源政策的顶层规划下,我国在第4代核能系统(快堆、高温气冷堆等)和先进小型堆等方面取得了显著成果。200MWe具有固有安全特征的高温气冷堆示范工程正在建设。同时,围绕我国高温天然气冷堆未来应用的关键技术,积极开展国际交流。我国的实验快堆已成功并网发电;基于钠冷实验快堆,600MWe的示范快堆工程(CFER-600)正在建设,最终发展商用快堆,实现快堆的商业推广。我国已经启动了战略先导科技专项-未来先进的核裂变能 ads 衍生物ads革命性改造能ads衍生物系统,推动了国际核裂变能创新和发展,规划到2030年左右将实现以核裂变能为产业示范点的加速器推动核废物革命衍生物系统。此外,针对第4代核能体系候选堆型中铅基堆和电子熔盐堆等先进的核能设备和技术,我国也在积极推进,开展技术研发攻关。

3 结论
目前,全球能源正处于向清洁低碳转型发展的重要时期。先进核能技术为核能低碳拓宽了综合应用场景,且提升了核能的安全性和可持续发展要求。本文总结梳理了国外先进核能技术的发展规划和具体技术路线,介绍了国内先进核能技术发展的现状,指出未来先进核能技术发展的趋势。在国际社会日益受到碳排放约束的未来,清洁低碳高效核能的优势越来越明显。随着先进核能系统的革新设计和新一代先进核能技术的深入研发及综合应用,保证核能系统安全性的提升和经济性具有更强的竞争力,未来先进核能技术将有较大的发展空间,将更接近用户、更安全、低碳绿色、且提供多种核能拓展用途。