先进小型反应堆技术现状及未来发展趋势研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 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。 中国论文网 /8/view-12933135.htm 【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- 0015-004 Current Status and Development Tendency of Advanced Small Reactors CHEN Ren-zong1 WANG Guan2 （1.Institute of Nuclear and New Energy Technology， Tsinghua University， Beijing 100084， China； 2. China Nuclear Industry Huajian Asset Management LTD.， Beijing 100123， China） -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 【Abstract】With the development of industry in China， energy demand keeps increasing monotonically and develops towards diversification. Small reactors， especially the Generation IV liquid metal cooled small reactors have broad application prospect due to the advantages on safety， economy and mobility. This study summarized the market demand of small reactors and the technological features of Generation III light water cooled small reactors， and demonstrated the necessity of developing small reactors and the limitation of Generation III light water cooled small reactors on the utilization efficiency of nuclear fuel. Then the technological features and status of Generation IV small reactors were summarized， and the performances of Generation III and IV small reactors on the safety， economy -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 and application prospect were compared. It was indicated that Generation IV liquid metal cooled small reactors featured with inherent safety are safer than Generation III light water cooled small reactors. Generation IV liquid metal cooled small reactors based on closed nuclear fuel cycle are more economical than Generation III light water cooled small reactors due to low cost of investment. Furthermore， Generation IV liquid metal cooled small reactors are suitable for the application in remote areas， aerospace， and military fields. 【Key words】Small reactor； Market demand； Generation III reactor； Generation IV reactor 1 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 300 MW 以下的反应堆称为 小型反应堆1。随着核能的发展，新一 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 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 Table 1 Market demand of small reactors 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 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 500 MWe，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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 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。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 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 Afrikantov OKBM 设计， 基于该堆型设计建造的 Akademik Lomonosov 浮动核电站于 2007 年在圣 彼得堡开工建设，2013 年两座 35 MWe KLT-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 100 MWe 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 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 Table 2 Summary of international light water cooled small reactors 3.2 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 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 Table 3 List of high temperature small modular gas cooled reactors 3.2.2 小型液态金属冷却堆 液态金属具有良好的导热性，沸 点较高，反应堆可运行于常压状态，堆 芯冷却剂出口温度较高，可实现较高的 热电转换效率；中子能谱较硬，具有较 强的易裂变核素增殖和核废料嬗变能力。 液态金属冷却小型堆由于尺寸较小，中 子泄漏效应显著，冷却剂空泡价值在整 个寿期内均为负，避免了大型商业快堆 设计重点关注的正冷却剂空泡系数问题， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 保证了反应堆的固有安全性。相比钠， 液态铅及铅铋合金化学惰性好，与水和 空气无剧烈化学反应，对裂变产物中危 害较大的放射性碘、铯具有包容性，且 其密度随温度变化较为显著，因此铅冷 模块化小型堆具有较强的自然循环能力， 可设计为自然循环运行模式，并可在反 应堆事故停堆工况下，依靠自然循环排 出堆芯衰变余热。 国际上主要的小型液态金属冷却 堆发展情况如表 4 所示。目前基于液态 铅或铅铋合金冷却剂的小型液态金属冷 却堆设计方案包括美国 ENHS 和 STAR、俄罗斯 SVBR-100 和 BREST- OD-300 等10-13，基于液态钠冷却剂 的小型液态金属冷却堆设计方案包括日 本 4S、美国 PRISM 和 NHPM14-15。 基于铅基冷却反应堆驱动的核潜艇研发 过程中积累的 80 多堆年运行经验，俄 罗斯在小型铅基冷却反应堆研发方面处 于领先地位，用于核废料嬗变和闭式燃 料循环的 BREST-OD-300 目前已进入建 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 15 造阶段。由中国原子能科学研究院建造 的中国首座钠冷快堆中国实验快堆， 于 2011 年 7 月成功并网发电，标志着 我国已掌握先进钠冷快堆的设计建造技 术。 由于钠具有化学性质活泼的特点， 钠冷快堆发生钠的泄漏将导致钠火和钠 水事故等，因此需要额外设计密封回路 以及其它系统以防止钠水反应、钠火反 应的发生。液态铅或铅铋合金密度较高， 对于包壳等结构材料具有较强的腐蚀和 冲蚀作用，同时在堆内辐照作用下形成 有毒的 210Po，因此，铅基冷却反应堆 需要增加涂层或氧控等设施减缓腐蚀作 用，并设置 210Po 防护措施。 表 4 小型液态金属冷却堆发展情 况概览 Table 4 Summary of liquid metal cooled small reactors 3.2.3 小型熔盐堆 熔盐堆具有很强的负温度反馈系 数和空泡系数，允许自动负荷跟踪运行。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 16 温度升高引起熔盐膨胀溢出堆芯，降低 反应性。燃料本身是流体，不存在堆芯 熔化的可能性。熔盐温度过高时，会熔 化预先设计的冷冻塞， 将燃料盐自动 排入预先准备的、非能动冷却的、次临 界安全的储罐内。熔盐堆中的易裂变材 料浓度也可以连续调整，消除过多的剩 余反应性，而且无需加入可燃毒物。此 外，许多裂变产物在熔盐中都以离子形 式存在，与氟元素相结合形成稳定的氟 化物留在盐内，其它挥发性或不能溶解 的裂变产物，如 Xe 等，可连续地排出 并储存在反应堆回路外部，避免吸收中 子而产生中毒效应，提高反应堆的中子 经济性。 国际上主要的小型熔盐堆发展情 况如表 5 所示。熔盐堆的概念始于美国 橡树岭国家实验室（ORNL） 。1965 年， ORNL 建成了以钍-铀燃料循环为研究 目的的 MSRE 熔盐实验堆 16，之后又 提出了 1000 MWe 的 MSBR 熔盐增殖 堆概念17。美国大力发展以高温气冷 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 17 堆和熔盐堆技术相结合的先进交叉技术 为基础的模块化氟化盐冷却高温堆 （PB-FHR） ，以高温熔融氟化盐作为冷 却剂，采用包覆颗粒燃料18。目前各 国小型熔盐堆设计方案均处于设计阶段， 距离工业应用尚有较远距离。 表 5 小型熔盐堆发展情况概览 Table 5 List of small molten salt reactors 4 小型反堆发展趋势 四代小型堆是未来核动力发展的 重点，特别是高温气冷堆、液态金属快 堆已经具备较好的各种特殊需求的应用 条件和商业应用价值。 气冷堆，体积大、热流密度低， 需要在线换料，存在乏燃料后处理、换 热系统积碳等难题，适合陆上工业园区 等需要高温过程热的领域。 相比于高温气冷堆，液态金属快 堆具有明显优势：体积小，热流密度高， 一体化，模块化，换料周期长，操作维 护简单，有希望实现流水线批量生产， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 18 可灵活适用于陆、海、空等各种应用需 求，因此具有更好的经济性和使用灵活 性。 对于钠冷快堆，由于钠的活性太 强的弱点，对于运行维护要求太高，在 特殊领域：例如航天动力、太空探索等 方面，由于钠的密度低，导热性能好的 特点，具有较好的应用前景。 对于铅基冷却快堆，由于具有较 好的稳定性，不与水和空气发生剧烈反 应，因此具有较为广阔的应用前景，例 如：海洋核动力平台、舰船核动力、陆 地供电供热多功能模块化反应堆（包括 固定式和可移动式）等。 综上，小型铅基快堆具有最好的 经济性和更广的应用前景，是目前最有 前途的核动力选项。铅基快堆已具备较 高的技术成熟度，基本解决了铅铋或铅 的腐蚀性问题，充分评估了 21