山东荣成石岛湾核电站高温气冷核反应堆.doc

山东荣成石岛湾核电站 高温气冷核反应堆石岛湾核电站-高温气冷核反应堆工程总投资：31亿元工程期限：2008年-2013年山东荣成石岛湾核电站项目是我国第一座高温气冷堆示范电站。2006年12月25日，华能山东石岛湾核电有限公司股东出资协议书和章程在北京钓鱼台国宾馆签订。此举标志着高温气冷堆核电示范工程这一国家中长期科技发展规划(2006-2020)重大专项工程取得了实质性进展。2008年1月16日华能石岛湾核电站可行性研究报告通过了由国家电力规划设计总院、国防科工委、国家核安全局、山东省政府等组织的联合审查。2008年9月1日,由二四建设公司承担施工的华能山东石岛湾高温气冷堆核电站示范工程负挖正式开工,标志着我国首座具有模块化特点的球床式高温气冷堆商业核电站进入主体工程施工阶段。高温气冷堆核电站重大专项是我国于2006年2月份确定的国家中长期科技发展规划纲要16个重大专项之一-大型先进压水堆和高温气冷堆核电站的一个组成部分，目标是建设世界上第一座具有第四代核能系统安全特征的20万千瓦级高温气冷堆核电站，被称作建设创新型国家的标志性工程之一，由中国华能集团、中国核工业建设集团、清华大学、清华控股共同承担该项目的科研、设计和工程建设。而位于荣成市宁津街道的华能石岛湾核电项目，即是重大专项之一大型先进压水堆和高温气冷堆核电站的商用示范站。据悉，该厂址远期规划容量为780万千瓦，包括380万千瓦高温气冷堆核电机组和400万千瓦压水堆核电机组。(目前世界上最大的核电站是法国格拉弗林核电站，装机容量为540万千瓦)根据协议，中国华能集团公司、中国核工业建设集团公司、清华大学分别出资47.5%、32.5%、20%，成立华能山东石岛湾核电有限公司，负责投资、建设、运营华能山东石岛湾核电站20万千瓦级高温气冷堆核电示范工程。该工程厂址位于山东荣成石岛湾，一期工程建设120万千瓦级高温气冷堆核电机组，是在由清华大学自主设计、建造和运营的1万千瓦高温气冷实验堆的技术基础上建设的。工程预计2013年11月投产发电。高温气冷堆是国际公认的具有先进技术的新型核反应堆，我国的高温气冷堆研究技术处于国际领先地位。其主要特点是固有安全性能好、热效率高、系统简单。目前已成功地建设了10MW实验电站，并完成了多项安全性实验工作，在向商业化转化的过程中，得到国家有关部门的大力扶持。项目已经列入国家中长期科学和技术发展规划纲要和中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要。高温气冷核反应堆人们通常把五、六十年代建造的验证性核电站称为第一代；70、80年代标准化、系列化、批量建设的核电站称为第二代；第三代是指90年代开发研究成熟的先进轻水堆；第四代核电技术是指待开发的核电技术，其主要特征是防止核扩散，具有更好的经济性，安全性高和废物产生量少。第四代核反应堆的六个构型中，就有高温气冷堆，这是一个很有前途的方案，现行的高温气冷堆有两个流派：石墨球床和柱状燃料的，前者的使用者是中国和南非，后者是美、俄和日本喜欢的，这里着重说一下我国的石墨球床堆电厂的技术特点。石墨球床堆也叫卵石堆，最早是德国在本世纪60年代建成了原理堆，由于技术和需求的限制，30年没有大的发展，直到上个世纪90年代，国际能源危机的压力日趋严重，南非和中国先后开始了对这一技术的现代化研究和实用化探索，分别是南非国营电力设计的PBMR(400MW热功率)和中国原子能技术研究院设计的HTR-PM(460MW)。两者的设计都已经基本完成，其间中国完成了清华大学10Mw原理堆(HTR-10)的建造和运行工作，HTR-10已经并网多时了。我们知道，所有的核电站都由几个部分组成：1：堆芯，核燃料在此低速燃烧，产生热量2：冷却回路，堆芯产生的热量通过回路里的介质传导出去，使得堆芯保持一个稳定的反应温度，持续工作。3：发电机组，把冷却回路中的热量通过汽轮机的方式转换成电能。先说说燃料组件，石墨球床气冷堆的燃料组件大大不同于传统的核燃料组件，你可以把它看成一个西瓜，外壳是硬化的石墨材料，相当于西瓜皮，里面是稍微松散的石墨填料，相当于西瓜瓤，在西瓜瓤里均匀分布着一些以UO2为主要成分的西瓜子，这就是真正的核燃料颗粒，顺便说一下，这个瓜子有个用陶瓷做的瓜子壳，而UO2则相当于瓜子仁。这个西瓜结构的燃料组件直径是6厘米-无论颜色还是尺寸都很像我国北方常见的煤球。我们就暂时把它称作煤球好了。在反应堆的堆芯里面(多是一个环形的圆柱体)，这些煤球就真的和煤球炉子里一样，直接填充进去就好了，在一定的温度下，瓜子仁里面的核燃料开始裂变反应，产生热量，煤球里面的石墨起到慢化作用，保持链式反应的稳定运行，正常情况下，这些煤球的温度是900摄氏度左右。几何知识告诉我们，一堆球球堆在一起，他们的周围就自然而然的形成了均匀的空隙，这些空隙就是堆芯内部的冷却空间，我们在堆芯的一端注入高压氦气，另一端让高压氦气流出，快速流过煤球空隙的氦气带走了多余的热量，就构成了堆芯冷却的第一回路。900摄氏度的高压氦气从反应堆中出来之后，有两个途径，一是继续经过一个水冷回路，把水加热成蒸汽，推动汽轮机带动发电机发电，更先进一些的就是直接用氦气透平机组把热能转换成机械能，带动发电机。冷却后的氦气继续打回堆芯，就构成了完整的换能循环过程。安全设计石岛示范堆电站就是HTR-PM，结构还是2回路的，1回路氦气，2回路水。热功率460Mw，电功率200Mw。这种结构下最严重事故有两类：1回路跑气和2回路的水跑到1回路去。1回路跑气的情况，只要进气口和出气口不同时彻底断掉，堆芯是接触不到空气的，所以石墨球还是不会被氧化，即使两端同时断掉，石墨被氧化的周期是3个小时以上，除非吹纯阳，才可能导致石墨材料的剧烈燃烧。根据清华实验堆的数据，在最严重的跑气，堆芯彻底失冷，控制棒卡住下不来，且燃料都是新装的(有劲儿)的情况下，30秒之内，燃料组件就达到了热平衡最大值，温度是1030度左右，而瓜子壳的承受能力是1600，所以除非此时用球磨机磨燃料球，UO2还是跑不出来，而此后就是温度继续下降，负反应最终接触链式反应。即便是堆芯彻底漏气，空气完全取代氦气，有个计算，貌似是3天之后人工干预，只有2.5%左右的燃料颗粒，也就是瓜子能彻底暴露出来，而没有机械损伤的话，保护壳不会破裂，UO2还是出不来，形成的只是中子污染和铯134之类的逃逸。而只要反应堆的壳子不坏(之间还有石墨耐热衬层)。此种极限事故的辐射是周边2KM人群5个毫西佛特，而医院X光师的环境，也要10-20个毫西佛特/小时的。煤球核燃料的后处理是所有核装料中最好处理的，原因有4，1是首先燃烧深度大，可达90%以上，这是成型燃料组件做不到的，2是燃料颗粒外面的陶瓷保护层，大多数情况下可以隔绝可能的泄露，这也是成型组件做不到的，3是球球很小，你可以一个球一个球的拿机器彻底检查它的辐照结果，作为深度处理的依据，这还是成型组件做不到的，4石墨是非常稳定的，不怕腐蚀，机械强度也高，埋起来安全得多，这还是成型组件做不到的。燃料组件这就是石墨球床的基本工作原理，相对于当前的压水堆/沸水堆/重水堆电站，简直巧妙到一定程度了。下面我就说说它为什么巧妙首先，他的燃料组件尺寸很小，精度要求也不高，制造起来就容易得多。其次，堆芯的结构很简单，简直就是一个高精度的煤球炉子，只要容纳燃料球就好了。第三，他的冷却热质是氦气，好处有三：惰性气体，不用担心污染的传递，即使泄露也没事；单一的气体工质，不用复杂的流体控制理论；气体温度很高，高达900度，而压水堆则只有300-400度，未来的超临界堆也不过500多度，所以效率不比压水堆低。这就大大简化了冷却回路的复杂性，甚至只要氦气透平机过关，一个回路就可以了，而压水堆由于必须隔离污染的一次循环水，必须设计成两个回路。由于工质是干净的，不必考虑管路中子脆化的问题，高温气冷堆的回路造价和使用期限以及维护成本都低得多。第四，球床气冷堆简直就是一个烧核燃料的煤球炉子，换燃料的方式很简单：把烧完的煤球从炉子下面放出去，新的煤球从上面倒进去就完了，不用停堆换组件。不仅如此，气冷堆还有先天的安全性，几乎是绝对安全的，核电事故说白了就一种，那就是堆芯因为温度过高而融化，进而破坏安全设施，造成核泄露。由于球床燃料的结构特点，这是不会发生的。前面我们说了，燃料煤球里面的瓜子壳是陶瓷材料，瓜子仁是UO2燃料，这个壳可以承受1600度的温度，正常情况下，外面的石墨瓜瓤的温度是900度左右，一旦作为冷却的氦气停止供应了，煤球的温度就会升高，瓜瓤的温度也会升高，由于瓜瓤比瓜子多得多，会迅速带走瓜子表面的温度，向外界辐射出去，保证瓜子壳不会超过极限的1600度。所以堆芯是不可能融化的。清华的示范堆就曾经不止一次表演过在不插入控制棒的情况下停止冷却的氦气泵，整个堆芯迅速达到热平衡，进而安全停堆。如果说第三代压水堆AP-1000的非能动安全设计还依赖于一套需要维护的安全设备的话，高温气冷堆连这套设备也省了。所以说，这种设计不再需要能耐压的安全壳，不再需要冗余的安全设备，甚至可以简化成一回路设计，大大降低了成本。做成模块化的电站，由于其独有的安全性，甚至可以在大城市周边直接安装使用。球床气冷堆的造价优势和安全优势说过了，此外还有他的效率优势，就是电效率超过40%，大大高于哪怕是三代的压水堆，甚至四代的超临界堆，这就进一步降低了发电成本。此外，由于热效率高，气冷堆的供热优势也十分明显，未来无论是高温裂解天然气制取氢气还是高温电解水制取氢气，900度的高温热源都是必不可少的。此外，球床气冷堆的优势还在于它的燃料燃烧十分充分，后处理成本低，模块化的气冷球床电站你可以给任何人用，而不必担心核废料被做成脏弹搞恐怖袭击。至于球床堆的缺点，那就是对于气冷回路的加工要求很高，氦气透平机的功率不易做大(不过没关系，我们可以并联若干个小的，一样用)，而气冷堆的功率密度远远小于压水堆(当然了，冷却工质是气体，怎么可能小得了)，这对于发电堆来说不是什么缺点，但是对于动力堆却是致命的，也就是说，气冷堆上潜艇之类的传闻，完全是无稽之谈了。相对于球床气冷堆，另一种流派就是柱状燃料的气冷堆，不同之处就是把燃料做成柱状，也就是大块的石墨里面有很多小洞，小洞里镶嵌包裹陶瓷外壳的UO2燃料线。这样的优势是效率更好一些，电效率可以接近50%，且单堆功率容易做大。缺点是组件制造要求高，无法不停堆换燃料。后一种流派的代表是日本、美国和俄罗斯，日本设计了GTHTR300，单堆热功率高达600Mw，比体积差不多的中国HTR-PM大了1/3，俄罗斯和美国也联合设计了GT-MHR，与日本的类似。日本的30Mw柱状燃料高温气冷堆HTTR也已经投入了并网运行。总之，高温气冷堆是四代核电中最接近使用的一种方案，优点是安全性和成本，缺点是没有技术的沿革，很多地方需要重头做起(其他方案，例如超临界堆，我们可以看作压水堆的进化)，这就需要建设示范堆来逐步摸索经验，找出不足，进一步修正商用堆的设计。无论成败，石岛示范堆都是我国乃至全球核电技术探索的一个重要步骤，给中国人民在未来的发展中探索新的能源之路。目前世界最大的各类电站中国三峡水电站总装机2240万千瓦，是目前世界上最大的水电站日本的鹿岛电厂440万千瓦,是世界上最大火力发电厂法国格拉弗林核电站540万千瓦，是世界最大核电站(浙江三门核电站规划装机750万千瓦)美国北卡罗来纳州的蓝岭山上,建起的世界最大的风力电站,装机容量为2000万千瓦。(甘肃酒泉风电基地规划总装机容量为3565万千瓦)法国西部布列塔尼地区的拉杭斯发电厂装机容量240MW，是世界上最大的潮汐发电厂。美国拥有世界上最大的盖塞斯地热发电站，装机容量达2080MW。英国坎贝斯的生物质能发电厂是目前世界上最大的秸秆发电厂，装机容量3.8万千瓦，总投资约5亿丹麦克朗。湛江奥里油发电厂是中国目前唯一利用奥里油这种特殊燃料发电的项目,为国家重点扶持的能源项目,是全球第一个专门设计施工、也是目前世界上最大的燃奥里油电厂。广州将建世界最大垃圾发电厂，日处理生活垃圾6000吨，年发电量1.2亿千瓦时。1994年9月30日上午10点08分32秒。清华大学核研院。来自30多个国家的60多名核能专家和国际原子能机构的官员纷纷屏住呼吸，静静地察看着10兆瓦高温气冷实验堆开始的核安全演示。工作人员通过操作让核反应堆冷却剂循环风机停止工作，立刻反应堆向外传输热量的能力丧失了。要知道，核反应堆在停堆之后还会继续产生热量，而不是像锅炉熄火后便不再产生热量。这个热如果不加以冷却，反应堆就可能发生堆芯熔化、放射性外泄的严重事故，这也是核安全的最主要的技术挑战。循环风机刚一停止工作，报警声便剌耳地响起，中外宾客瞪大眼睛盯住显示屏上的变化，只见正常运行的曲线急剧下降，反应堆的热功率由3000多千瓦降为几百千瓦，最后反应堆发热维持在正常运行时的1.5%左右。这表明热量通过反应堆压力壳的表面自动散发到周围环境中，而不需要任何附加的冷却系统。核研院的这一实验展示了模块式高温气冷堆的一个最重要特性：在任何事故情况下，包括丧失所有冷却的情况下，不采取任何人为的和机器的干预，反应堆能保持安全状态。我国已经掌握核电站的最新一代技术。石岛石岛位于胶东半岛东南端，山东省荣成市，三面环海，海岸线长88.5公里，与日、韩隔海相望，是中国大陆距离韩国最近的地方。总面积260平方公里，总人口20万。拥有我国北方最大的渔港-石岛港。石岛依山傍海，风景秀丽，气候宜人，比之青岛、威海犹在之上，冬无冰寒，夏无酷暑，空气温润；可登山望远，亦可下海怡情；晓可观海上日出，夜可啖鱼虾之美.石岛自春秋战国时期就有人居住，隋唐时期就成为东部沿海的重要商埠；明末清初，更是商贾云集，孙中山