田嘉夫

(清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)設(shè)計(jì)研究院，北京100084)

安全經(jīng)濟(jì)高效的先進(jìn)能源

田嘉夫

(清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)設(shè)計(jì)研究院，北京100084)

具有第四代安全經(jīng)濟(jì)特性的核電應(yīng)該是人們期待的先進(jìn)的清潔低碳能源。高溫氣冷堆是當(dāng)今研發(fā)的第四代核電堆型之一，但現(xiàn)有的設(shè)計(jì)還存在需要排除的嚴(yán)重的安全隱患。堆芯不熔化，不等于說(shuō)不會(huì)有嚴(yán)重事故發(fā)生。需要吸取國(guó)外球床高溫堆和柱狀高溫堆兩種實(shí)驗(yàn)堆型運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、擴(kuò)展安全觀念和應(yīng)對(duì)安全低概率事件，確保反應(yīng)堆不出現(xiàn)后果極其嚴(yán)重的放射性釋放事故。當(dāng)熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用與燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)耦合應(yīng)用的技術(shù)以后，會(huì)發(fā)揮高溫堆所長(zhǎng)，更大地提升轉(zhuǎn)換效率，形成一種高安全低投資和高效率的雙燃料清潔能源，可用于大堆或小堆的應(yīng)用環(huán)境，可滿(mǎn)足電力系統(tǒng)基本負(fù)荷和調(diào)鋒負(fù)荷的需要。在工程設(shè)計(jì)上采取一系列改進(jìn)和創(chuàng)新措施，包括釆用規(guī)則床模塊化及地下反應(yīng)堆設(shè)計(jì)以后，可在提高反應(yīng)堆核心部位安全防衛(wèi)能力的同時(shí)，防范低概率事件，成為一種新的安全經(jīng)濟(jì)高效的先進(jìn)能源。

核能安全；低概率事件；規(guī)則床模塊堆；地下核電站；燃?xì)饴?lián)合循環(huán)

國(guó)家能源局公布的《2014年能源工作指導(dǎo)意見(jiàn)》，要求安全高效發(fā)展核電。我國(guó)面對(duì)資源有限、環(huán)境污染嚴(yán)重、生態(tài)系統(tǒng)退化的嚴(yán)峻形勢(shì)，人均用電量偏低，電力裝機(jī)容量還處于大幅增長(zhǎng)階段，需要加大力度開(kāi)發(fā)更高水平的安全核電。

更高水平的安全核電是當(dāng)今探索的目標(biāo)，并沒(méi)有成熟樣板可循。我國(guó)在2006年，將高溫氣冷堆列為國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要的重大專(zhuān)項(xiàng)。準(zhǔn)備通過(guò)20萬(wàn)千瓦模塊式高溫氣冷堆示范電站的建造，對(duì)核心技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)具有重大戰(zhàn)略意義的先進(jìn)能源。可是今天看來(lái)，啟動(dòng)國(guó)家自主研發(fā)先進(jìn)核電技術(shù)十分必要，列為專(zhuān)項(xiàng)表明我國(guó)需要在國(guó)際上尚不成熟的條件下，實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展。但在當(dāng)時(shí)條件下制定的高溫氣冷堆的實(shí)施方案，卻不像當(dāng)初想象的那樣可以安全地用于商業(yè)發(fā)電。在國(guó)內(nèi)10兆瓦實(shí)驗(yàn)堆運(yùn)行的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和建造的20萬(wàn)千瓦(實(shí)際上后來(lái)改成2座10萬(wàn)千瓦堆同時(shí)建造)球床高溫氣冷堆，主要是參照80年代德國(guó)運(yùn)行的球床實(shí)驗(yàn)堆，不僅問(wèn)題很多，還存在需要排除的重大安全隱患。

主要問(wèn)題出現(xiàn)在原型堆設(shè)計(jì)上，需要在新的設(shè)計(jì)安全準(zhǔn)則基礎(chǔ)上，對(duì)原有技術(shù)進(jìn)行必要的改進(jìn)和提高，才能承諾不會(huì)發(fā)生放射性物質(zhì)對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重污染，達(dá)到創(chuàng)新的第四代機(jī)型的良好安全性和經(jīng)濟(jì)性。

1 新情況和新問(wèn)題

在這些年中，主要揭露出的問(wèn)題是來(lái)自國(guó)際研究環(huán)境，使高溫氣冷堆原有技術(shù)受到兩次重大沖擊。一次是原來(lái)作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的德國(guó)球床實(shí)驗(yàn)堆，以前實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中存在的重大安全隱患，在2008年前后被揭露出來(lái)[1,2]。另一次是2011年日本發(fā)生的福島核事故，事故后人們改變了對(duì)低概率事件的看法，提出了新的應(yīng)對(duì)后果嚴(yán)重事件的防范要求。新情況和新問(wèn)題是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇，我們必需直面現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，無(wú)論列為專(zhuān)項(xiàng)的計(jì)劃進(jìn)展到何種程度，都必須有自己獨(dú)到的針對(duì)新問(wèn)題的解決方案，才能獲得核心技術(shù)突破，完成國(guó)家期望的安全核電示范應(yīng)用的重大任務(wù)。

1.1 第一次重大沖擊

高溫氣冷堆技術(shù)受到的第一次重大沖擊，是2008年揭露出來(lái)的早年德國(guó)AVR實(shí)驗(yàn)堆存在的問(wèn)題[3]。發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題包括：堆芯曾出現(xiàn)嚴(yán)重放射性污染，堆內(nèi)有異常高溫區(qū)域，吸附有裂變產(chǎn)物的石墨粉塵累積達(dá)50～60kg之多。如果當(dāng)時(shí)該堆發(fā)生氦氣泄漏事故，很可能造成環(huán)境放射性污染，甚至發(fā)生高溫石墨粉遇到空氣爆燃或火災(zāi)等事故。大量含放射性的石墨粉使這座實(shí)驗(yàn)堆退役遇到困難，后來(lái)只好向壓力殼內(nèi)灌入水泥，變成一個(gè)200多噸的混凝土塊，暫時(shí)存放在那里。現(xiàn)在設(shè)計(jì)的高溫氣冷堆，依據(jù)的是在氦氣發(fā)生泄漏時(shí)可直接排放到環(huán)境，但存在石墨粉以后，由于石墨粉吸附放射性，就改變了原有對(duì)環(huán)境影響的結(jié)論。燃料球隨機(jī)堆積的堆芯，對(duì)燃料、溫度和功率分布以及冷卻劑分配，自始至終都沒(méi)有任何手段可以測(cè)量，對(duì)堆內(nèi)狀態(tài)無(wú)法了解是出現(xiàn)問(wèn)題的另一個(gè)原因。我國(guó)和南非都是在德國(guó)這座球床實(shí)驗(yàn)堆技術(shù)基礎(chǔ)上，發(fā)展的商業(yè)化示范電站設(shè)計(jì)，問(wèn)題揭露以后，直接導(dǎo)致了南非球床高溫氣冷堆工程項(xiàng)目(PBMR)，在投入10億美元后完全停工[4]。我國(guó)不排除這些危險(xiǎn)性和問(wèn)題，就無(wú)法達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用的目的。

1.2 第二次重大沖擊

高溫氣冷堆技術(shù)受到的第二次重大沖擊，是2011年日本福島核電站發(fā)生了嚴(yán)重核事故。世界所有核電站安全技術(shù)都經(jīng)受了一次深刻檢驗(yàn)，有些國(guó)家甚至因此放棄核電，保留核電的國(guó)家也都提高了安全防范水平。簡(jiǎn)單地放棄和保留不符合我國(guó)政策，我國(guó)還要求加大力度開(kāi)發(fā)核電，出路何在？

1.3 考驗(yàn)安全觀念

我們需要從對(duì)福島事故教訓(xùn)的認(rèn)識(shí)上提高，才能去尋找更合理的開(kāi)發(fā)途徑。過(guò)去在反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中，更多地強(qiáng)調(diào)降低發(fā)生嚴(yán)重事故概率，概率很低了就認(rèn)為可以忽視?？墒窃诟u事故教訓(xùn)面前，人們改變了態(tài)度，變成了即使低概率，如果后果嚴(yán)重也要準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)措施。例如：新一代的壓水堆、沸水堆，雖然堆芯熔化概率一再降低，但還是增加一些應(yīng)對(duì)措施。如增設(shè)氫氣監(jiān)測(cè)和氫氧復(fù)合裝置、提高能動(dòng)和非能動(dòng)應(yīng)急補(bǔ)水能力、增加可移動(dòng)電源等防范措施。我國(guó)核安全局在福島事故后，對(duì)核電廠提出了“通用技術(shù)要求”，作為安全性改進(jìn)的指導(dǎo)文件。雖然改進(jìn)的主要內(nèi)容都是針對(duì)壓水堆制定的，但高溫氣冷堆同樣需要吸取教訓(xùn)，核心問(wèn)題是必需對(duì)高溫氣冷堆后果嚴(yán)重的低概率事件有所準(zhǔn)備。

2 低概率事件

2.1 概率低但后果極其嚴(yán)重

模塊式高溫氣冷堆覆蓋粒子燃料、溫升停堆和靠輻射傳導(dǎo)的余熱冷卻能力，與其他堆型相比，的確具有防范堆芯熔化的高水平的安全性能。但堆芯和石墨體即使在停堆狀態(tài)，也是一個(gè)有內(nèi)熱源的巨大可燃物體，幾個(gè)月或更長(zhǎng)時(shí)間溫度都不會(huì)降下來(lái)，需要在極高的(有時(shí)高溫區(qū)會(huì)超過(guò)1000℃)溫度下，可靠地封閉在惰性氣體中。堆芯不熔化，不等于說(shuō)不可能有大量放射性釋放。過(guò)去設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故只考慮氦氣系統(tǒng)出現(xiàn)一個(gè)小破口，氦氣泄漏僅僅造成系統(tǒng)失壓，或進(jìn)入的空氣數(shù)量很少，堆本體仍處于惰性氣氛中。但如果破口不止一處或破口尺寸較大，氦氣會(huì)全部溢出，空氣進(jìn)入，高溫石墨立刻燃燒，燃燒界面會(huì)越來(lái)越大，造成巨大破壞。堆芯石墨和燃料粒子覆蓋層燃燒后，裂變產(chǎn)物會(huì)隨著煙火釋放出來(lái)。其放射性釋放量有可能超過(guò)切爾諾貝利核電站事故石墨燃燒時(shí)的放射性排放量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)福島的危害程度，因?yàn)楦u的放射性釋放量?jī)H為切爾諾貝利的十分之一。后果極其嚴(yán)重，是任何國(guó)家都無(wú)法承受的，雖然發(fā)生概率低，但在福島事故后，應(yīng)該考慮預(yù)防措施和應(yīng)對(duì)手段。這些措施寧可備而不用，但不可不設(shè)防。

2.2 新型堆必需擴(kuò)展安全觀念以適應(yīng)新情況新要求

在上世紀(jì)80年代，德國(guó)兩座球床高溫氣冷堆和美國(guó)一座柱狀燃料高溫氣冷堆都在運(yùn)行中，但在1986年切爾諾貝利核電站發(fā)生事故后，于1988和1989年相繼關(guān)閉。在至今的26年間除中國(guó)的10 MW和日本的30 MW小型高溫實(shí)驗(yàn)堆外，世界上再?zèng)]有大型石墨高溫堆投入建設(shè)和運(yùn)行。

今天我國(guó)在世界上率先開(kāi)發(fā)和建造大型石墨高溫氣冷堆，考慮到自然災(zāi)害頻繁，恐怖襲擊等人為損壞因素倍增的情況下，對(duì)石墨高溫體燃燒的預(yù)防措施，別的國(guó)家沒(méi)有深入研究，但我國(guó)必需首先開(kāi)展這方面研究，研究福島后高溫堆應(yīng)該備用的應(yīng)對(duì)措施。按照“中國(guó)核安全觀”和習(xí)主席提出的“發(fā)展和安全并重，以確保安全為前提發(fā)展核能事業(yè)”的精神，我國(guó)應(yīng)該轉(zhuǎn)變安全觀念，把先進(jìn)核能科學(xué)技術(shù)的研發(fā)工作建立在無(wú)重大事故隱患的基礎(chǔ)上，做出應(yīng)對(duì)最壞情況的準(zhǔn)備。初步研究顯示，如果采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧?，能夠避免高溫氣冷堆出現(xiàn)上述后果嚴(yán)重的低概率事件，我們就可能開(kāi)發(fā)出世界上獨(dú)一無(wú)二的最終安全穩(wěn)定性遠(yuǎn)好于壓水堆的堆型，這會(huì)對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。

2.3 設(shè)計(jì)原則改進(jìn)

為實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，需要集中我國(guó)各有關(guān)方面的技術(shù)力量，率先對(duì)高溫氣冷堆開(kāi)展如下五方面的設(shè)計(jì)原則改進(jìn)，將安全性和經(jīng)濟(jì)性提升到真正第四代核電水平：

(1) 考慮應(yīng)對(duì)后果嚴(yán)重的低概率事件，堆芯和石墨本體在必要時(shí)能夠允許進(jìn)入被水淹沒(méi)的水冷最終穩(wěn)定狀態(tài)；

(2) 反應(yīng)堆艙室作為第二道密封系統(tǒng)，氦氣泄漏時(shí)向外排放，但在大量氦氣排放后，還能非能動(dòng)地保持密封狀態(tài)；

(3) 考慮抵御外界強(qiáng)飛射物影響，反應(yīng)堆本體和氦氣系統(tǒng)具備大型商用飛機(jī)沖擊力度的防護(hù)能力；

(4) 排除球形元件隨機(jī)堆積和在線換料造成的嚴(yán)重問(wèn)題；

(5) 采用新的能量轉(zhuǎn)換方式，與技術(shù)成熟的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)耦合，開(kāi)發(fā)安全經(jīng)濟(jì)高效的清潔能源電站。

為實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)原則改進(jìn)，需要在工程設(shè)計(jì)上開(kāi)展多方面改進(jìn)和創(chuàng)新。

3 應(yīng)對(duì)后果嚴(yán)重事件的設(shè)計(jì)改進(jìn)

3.1 防范不測(cè)事件

一座商用模塊式高溫氣冷堆壓力殼內(nèi)，包括燃料球在內(nèi)的石墨材料總量都在300噸以上，萬(wàn)一氦氣密封系統(tǒng)遭到破壞，惰性氣體溢出，空氣進(jìn)入，所有封堵空氣進(jìn)入措施失效的危機(jī)情況下，可以采取“終極”策略。不怕?tīng)奚研竞褪牧希写胧┛芍苯酉蚱瓶诨蚵懵兜亩研臼w噴水，用大量水的汽化來(lái)隔絕空氣，防止燃燒。在持續(xù)排放蒸汽的同時(shí)，石墨體降溫，隨后堆芯和石墨體被水淹沒(méi)，再由水蒸發(fā)保持余熱冷卻，以后根據(jù)需要適時(shí)補(bǔ)充水量(或增加冷卻設(shè)備)，維持長(zhǎng)期安全冷卻狀態(tài)。

這是在危機(jī)狀態(tài)下，也只有在萬(wàn)分危機(jī)的極端情況下，才采取的終極策略。這也是任何反應(yīng)堆設(shè)計(jì)者和建設(shè)者都不愿意看到的局面，但卻是在系統(tǒng)受到破壞，可能發(fā)生火災(zāi)和嚴(yán)重放射性外泄事故時(shí)的明智選擇。設(shè)想，如果日本福島反應(yīng)堆在發(fā)生事故時(shí)，能夠向系統(tǒng)內(nèi)注水，哪怕能注入海水，也不會(huì)發(fā)生堆芯熔化和氫氣爆炸事故?？墒侨藗?cè)诋?dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)，不愿意留有余地，不愿意有這種犧牲自我的準(zhǔn)備，結(jié)果釀成大禍。這種安全觀念也與火箭發(fā)射衛(wèi)星類(lèi)似，當(dāng)發(fā)射出現(xiàn)事故時(shí)，可以啟動(dòng)自毀裝置，以避免更為嚴(yán)重的后果。反應(yīng)堆無(wú)法自毀，但可以盡可能回歸到與自然界相容的穩(wěn)定狀態(tài)。有這種準(zhǔn)備，在特殊的自然的或人為的惡劣環(huán)境出現(xiàn)時(shí)，可確保反應(yīng)堆不出現(xiàn)后果極其嚴(yán)重的放射性釋放事故。

3.2 滯留裂變產(chǎn)物

在采取了上述“終極”措施以后，堆芯燃料球表面和石墨材料受損，同時(shí)向大氣中排放了含有少量放射性的大約幾十噸蒸汽。石墨是一種陶瓷體，在劇烈降溫過(guò)程中，不會(huì)發(fā)生大的破損和變形(國(guó)外曾有高溫石墨球投入水中的實(shí)驗(yàn)，燒紅的石墨球投入水中，幾乎沒(méi)有大的變化)。燃料球石墨層受損，覆蓋粒子不會(huì)被破壞，因此能夠保持絕大部分裂變產(chǎn)物滯留其中，使重大放射性污染事故得以避免。這是由覆蓋粒子燃料特性決定的，因?yàn)槎研救苛炎儺a(chǎn)物被分散到幾十億個(gè)覆蓋粒子球殼中，由熱解碳和碳化硅構(gòu)成的直徑小于1 mm的球殼，有很高的強(qiáng)度，有散熱能力，在上述“終極”過(guò)渡過(guò)程和其后的水冷過(guò)程中它不會(huì)損壞，具有滯留裂變產(chǎn)物的高度可靠性和安全性。而壓水堆和沸水堆則不同，它們的燃料元件鋯包殼十分單薄、易熔化和易破損，還會(huì)產(chǎn)生氫。直徑和高度達(dá)幾十米的大安全殼沒(méi)有充分散熱功能，包容能力有限，裂變產(chǎn)物向環(huán)境泄漏的概率要大得多。而包含覆蓋粒子的球形燃料元件只要浸沒(méi)在水中，具有比壓水堆高得多的最終安全特性，我國(guó)已經(jīng)投產(chǎn)的這種核燃料元件為我國(guó)開(kāi)發(fā)高安全水平核電準(zhǔn)備了基礎(chǔ)條件。

3.3 開(kāi)展終極措施研究

為研究和證實(shí)上述的終極措施與自然界相容的安全性能，我國(guó)需要在世界上率先開(kāi)展終極措施相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。利用模擬的覆蓋粒子(不含核材料)和石墨材料，加熱至高溫下進(jìn)行預(yù)防燃燒的水冷實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)實(shí)施終極措施的必要條件，檢驗(yàn)覆蓋粒子和石墨材料的受損情況。同時(shí)還需要評(píng)價(jià)終極手段的可靠性和終極過(guò)程蒸汽釋放對(duì)環(huán)境的影響。這種實(shí)驗(yàn)就如同1993年法國(guó)進(jìn)行的世界首次核反應(yīng)堆燃料元件熔化試驗(yàn)[5]，以及其后俄羅斯的堆芯熔化實(shí)驗(yàn)一樣[6]，他們的目的是再現(xiàn)堆芯熔化物行為，驗(yàn)證阻止嚴(yán)重事故擴(kuò)大的措施，準(zhǔn)確地了解放射性事故的全過(guò)程。高溫氣冷堆終極措施需要的實(shí)驗(yàn)僅僅是大量高溫石墨材料預(yù)防燃燒的水冷實(shí)驗(yàn)，一種類(lèi)似消防手段，不涉及放射性問(wèn)題，因此實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單得多，也不需要在核實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

4 具有終極穩(wěn)定特性的工程設(shè)計(jì)

4.1 增強(qiáng)到能抵御大型商用飛機(jī)沖擊力度的防衛(wèi)水平

對(duì)一般核電站防飛射物的設(shè)計(jì)，有些國(guó)家已經(jīng)提出了能承受大型商用飛機(jī)撞擊的設(shè)防要求。我國(guó)核安全局提出，對(duì)于存在大型商用飛機(jī)撞擊風(fēng)險(xiǎn)的核電廠，應(yīng)在設(shè)計(jì)中考慮大型商用飛機(jī)撞擊的效應(yīng)。高溫氣冷堆保證惰性氣氛至關(guān)重要，加強(qiáng)防范沖擊能力，具有特殊的生存重要性。因此安置反應(yīng)堆本體于地下豎井內(nèi)，應(yīng)該是必要的和可能的，其目的之一是滿(mǎn)足實(shí)體防護(hù)要求。豎井之上覆蓋高強(qiáng)度保護(hù)頂蓋，頂蓋可以移動(dòng)，在安裝和檢修期間可以移開(kāi)，頂蓋和地下豎井共同構(gòu)成堅(jiān)固防護(hù)體，成為一種名副其實(shí)的地下核電站，其示意圖見(jiàn)圖1。這樣不僅增強(qiáng)了預(yù)防外界事件損壞的防衛(wèi)能力，而且在必要時(shí)可進(jìn)入水淹沒(méi)的最終穩(wěn)定狀態(tài)。高溫氣冷堆的這種改進(jìn)也為它更廣泛的應(yīng)用，包括出口到對(duì)防飛射物要求更嚴(yán)格的一些國(guó)家準(zhǔn)備了條件。

4.2 工程設(shè)計(jì)上需要采取的措施

(1) 通過(guò)反應(yīng)堆的測(cè)量系統(tǒng)，證實(shí)反應(yīng)堆處于深度次臨界狀態(tài)，即常溫下有足夠的停堆余量，否則在向反應(yīng)堆本體注水前，需要啟動(dòng)附加停堆措施；

(2) 反應(yīng)堆本體放置地面以下的另一個(gè)目的，是即使地面以上建筑物損壞，仍具有從地面高度向地下注水的可能，注入的水不易流失；

(3) 向大氣非能動(dòng)散發(fā)余熱的散熱器，安裝在豎井壁面內(nèi)側(cè)；

(4) 地面以上建有大容量貯水池，水量大于2000噸，作為終極狀態(tài)的備用水源；

(5) 貯水池兼做氦氣泄漏排放過(guò)濾水池，排放后還可非能動(dòng)地形成反應(yīng)堆艙室的密封系統(tǒng)，以降低發(fā)生終極事故概率；

(6) 在萬(wàn)分危機(jī)的情況下，采取終極策略，反應(yīng)堆本體逐漸降溫，最終處于水淹沒(méi)狀態(tài)，余熱能夠靠水蒸發(fā)或裝設(shè)冷卻設(shè)備維持長(zhǎng)期冷卻。

4.3 工程設(shè)施如何應(yīng)對(duì)各種事故

上述工程設(shè)施如何應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的各種事故，按事故的不同嚴(yán)重程度，參照?qǐng)D1分析說(shuō)明如下：

圖1 高溫氣冷堆安全設(shè)施示意圖Fig.1 HTGR Safety Facilities sketch map

4.3.1 當(dāng)失去所有電源時(shí)，反應(yīng)堆停堆并失去冷卻循環(huán)動(dòng)力，堆芯①升溫后，依靠傳導(dǎo)和輻射通過(guò)壓力殼側(cè)壁使安裝在豎井壁面的空腔冷卻系統(tǒng)③升溫，空氣通過(guò)煙囪⑦產(chǎn)生對(duì)流循環(huán)，以此維持余熱冷卻；

4.3.2 反應(yīng)堆艙室⑤在運(yùn)行中保持負(fù)壓，當(dāng)氦氣壓力邊界破損，系統(tǒng)發(fā)生泄漏時(shí)，艙室壓力迅速升高，氣體會(huì)通過(guò)貯水池⑥和煙囪⑦向外界排放，池水的過(guò)濾減少了對(duì)環(huán)境的放射性影響；貯水池內(nèi)的氣體出口，大約在水深8米處，因此艙室⑤壓力降至180kPa時(shí)自動(dòng)封閉，并維持惰性氣氛的密封狀態(tài)；

4.3.3 當(dāng)氦氣系統(tǒng)發(fā)生泄漏，同時(shí)艙室系統(tǒng)⑤出現(xiàn)較小破損，氦氣泄漏后空氣可能進(jìn)入時(shí)，應(yīng)該開(kāi)啟閥門(mén)及注水系統(tǒng)④，以艙室空腔中產(chǎn)生的蒸汽阻斷空氣。大部分蒸汽仍可能進(jìn)入水池⑥冷凝，少量排放到環(huán)境，艙室以正壓狀態(tài)維持反應(yīng)堆本體不與空氣接觸，并設(shè)法恢復(fù)艙室密封性；

4.3.4 當(dāng)氦氣壓力邊界和艙室系統(tǒng)均破壞嚴(yán)重時(shí)，采取終極措施后，會(huì)有幾十噸蒸汽排放到環(huán)境。如果此時(shí)地面以上建筑物損壞，貯水池⑥的水可能流失，這時(shí)需要其它水源來(lái)保證系統(tǒng)的最終安全。

上述措施在工程上容易實(shí)現(xiàn)，能夠在提高反應(yīng)堆核心部位安全防衛(wèi)能力的同時(shí)，將反應(yīng)堆安全性提升到避免出現(xiàn)危害嚴(yán)重的低概率事件的水平。

5 排除已經(jīng)揭露出的球形元件隨機(jī)堆積和在線換料造成的嚴(yán)重問(wèn)題

5.1 球形燃料堆的問(wèn)題

德國(guó)AVR實(shí)驗(yàn)堆是世界上第一次建造球形燃料堆，雖然在建造前做了大量的球形元件堆積和流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，但都是在常溫和空氣條件下進(jìn)行的。出現(xiàn)問(wèn)題的原因之一是因?yàn)樵诟邷睾猸h(huán)境中，石墨間摩擦系數(shù)增大幾倍[7]，球的流動(dòng)規(guī)律和摩損特性與從前實(shí)驗(yàn)有很大差別。有些區(qū)域球的流動(dòng)過(guò)慢，特別是某些平的壁面或邊角處容易出現(xiàn)結(jié)晶化堆積，造成滯留、燃耗超限和產(chǎn)生不應(yīng)有的放射性釋放。原來(lái)設(shè)想建造球床堆的目的之一是希望實(shí)現(xiàn)在線換料，但運(yùn)行中全堆每個(gè)燃料球都時(shí)刻不停的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，產(chǎn)生了大量石墨粉。石墨粉吸附放射性，改變了放射性的遷移規(guī)律，當(dāng)氦氣發(fā)生泄漏時(shí)，還會(huì)引發(fā)放射性泄漏和高溫石墨粉爆燃的可能。雖然在線換料在運(yùn)行中添加燃料可以補(bǔ)償燃耗反應(yīng)性和減少換料的停堆時(shí)間，但卻有更多的不利因素。如燃料球在堆芯內(nèi)從上向下移動(dòng)造成軸向功率分布嚴(yán)重不均。為減少軸向不均，現(xiàn)在的模塊化設(shè)計(jì)，都在燃料球移動(dòng)速度上加快了幾倍到十幾倍，不僅會(huì)產(chǎn)生更多石墨粉，不均勻系數(shù)仍然很高，這是球床堆模塊化功率低于柱狀元件高溫堆的主要原因。堆內(nèi)的中子注量率分布和功率分布在球床堆中無(wú)法實(shí)驗(yàn)測(cè)量。燃料球多次通過(guò)堆芯循環(huán)后，僅憑常溫下測(cè)量的球移動(dòng)曲線加上中子物理計(jì)算得到的分布預(yù)測(cè)值，會(huì)越來(lái)越不準(zhǔn)確，形成一個(gè)“黑匣子”堆芯，大大降低了物理性能，只能一次又一次的降低功率運(yùn)行。在線換料的堆芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝卸料機(jī)需要連續(xù)可靠地運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)行中高溫高壓下的維護(hù)和檢修也很麻煩。從實(shí)用發(fā)電的要求來(lái)看，不應(yīng)該采用在線換料[8]。

5.2 柱狀燃料堆的問(wèn)題

上世紀(jì)60和70年代美國(guó)建造的兩座柱狀元件高溫氣冷堆，Peach Bottom(電功率40 MW)及Fort St. Vrain(電功率330 MW), 多年運(yùn)行中就沒(méi)有出現(xiàn)上述這些問(wèn)題[9]。事實(shí)說(shuō)明只要不采用燃料球不停滾動(dòng)的在線換料，像柱狀元件高溫堆或除重水堆外的各類(lèi)反應(yīng)堆那樣定期換料，球床堆的上述問(wèn)題就可以解決。而柱狀元件高溫氣冷堆，由于燃料塊體積大，加工制造和輻照考驗(yàn)困難，燃料裝卸系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)復(fù)雜，燃料塊輻照后變形、出現(xiàn)間隙和振動(dòng)是它難以解決的問(wèn)題。但它的模塊化設(shè)計(jì)的單堆功率、輸出溫度和熱電轉(zhuǎn)換效率都高于球形燃料堆。

5.3 規(guī)則床模塊式高溫氣冷堆

柱狀燃料堆的問(wèn)題，在球形燃料堆上不存在。利用兩種堆的優(yōu)點(diǎn)，就發(fā)展出一種新型高溫氣冷堆，這就是獲得我國(guó)發(fā)明專(zhuān)利權(quán)的規(guī)則床模塊式高溫氣冷堆[10]。規(guī)則床高溫氣冷堆采用球形燃料元件，在堆芯內(nèi)形成正四棱錐規(guī)則堆積。

圖2是正四棱錐規(guī)則堆積原理圖。只要在堆芯的底面上，加工很多正方形排列的半球形凹陷，堆芯側(cè)面圍成八角形，由頂部落入的燃料球就會(huì)成正方形排列。每4個(gè)球的中心又形成新的凹陷，它又成為次一層球的位置，以此層層累積就自動(dòng)形成了正四棱錐規(guī)則堆積。燃料球在堆芯形成“結(jié)晶式”的固定結(jié)構(gòu)，能夠在高溫和強(qiáng)輻照條件下適應(yīng)形變和維持穩(wěn)定的特性。外形同柱狀堆一樣有一個(gè)規(guī)則的外形。運(yùn)行中燃料球沒(méi)有移動(dòng)，就排除了上述球床堆存在的所有問(wèn)題。燃料球從頂部裝入，也從頂部卸出，實(shí)施定期換料。球形元件堆停堆換料操作和所需的換料機(jī)械比柱狀燃料堆簡(jiǎn)單得多[11,12]。

圖2 規(guī)則堆積原理圖Fig.2 Ordered packing schematic

5.4 規(guī)則床模塊堆的優(yōu)點(diǎn)

規(guī)則床模塊式高溫氣冷堆是對(duì)現(xiàn)有的球形燃料堆和柱狀燃料堆模塊化設(shè)計(jì)的重要改進(jìn)和創(chuàng)新，是在現(xiàn)有成熟技術(shù)基礎(chǔ)上的最先進(jìn)的設(shè)計(jì)，它具有如下一些方面的優(yōu)點(diǎn)：

(1) 在模塊化高溫堆設(shè)計(jì)中，除特有的防止堆芯熔化的固有安全性外，還具有先進(jìn)的設(shè)計(jì)性能和參數(shù)，如單堆功率、輸出溫度和熱電轉(zhuǎn)換效率都超越球形燃料堆，而接近和高于柱狀燃料堆設(shè)計(jì)；

(2) 排除了球形燃料堆在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)的許多問(wèn)題，如石墨粉產(chǎn)生、軸向功率畸變、石墨塊更換頻繁、堆內(nèi)功率分布特性無(wú)法探測(cè)造成黑匣子堆芯等；

(3) 堆體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式簡(jiǎn)化，堆芯形狀規(guī)則，沒(méi)有上下錐形堆積，沒(méi)有上空腔和下卸料管，上下和四周有完整的反射層或增值層，有利于提高反應(yīng)堆物理和熱工性能，有利于提高燃料增殖轉(zhuǎn)化能力；在高溫高壓運(yùn)行條件下，不需要連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)裝卸料系統(tǒng)，大大減少運(yùn)行和維護(hù)的復(fù)雜性；

(4) 燃料裝卸運(yùn)輸和貯存系統(tǒng)與壓水堆相比有重大改變，燃料球可以在管道內(nèi)自由輸送，容易設(shè)置防護(hù)和進(jìn)行強(qiáng)放射性操作。當(dāng)堆芯換料時(shí)，只需要打開(kāi)壓力殼上的一些開(kāi)孔，不需開(kāi)啟壓力殼封頭，不需深水防護(hù)，不需要龐大的操作空間和換料廠房。燃料元件轉(zhuǎn)移和運(yùn)輸也不需要在水下操作，是一種較簡(jiǎn)單的干法運(yùn)輸和貯存，因此它會(huì)給反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)和更廣泛的應(yīng)用帶來(lái)新變化。

(5) 創(chuàng)建新的燃料元件循環(huán)利用系統(tǒng)，覆蓋粒子燃料具有深燃耗特點(diǎn)，現(xiàn)在確認(rèn)的深度是80000～120000MWd/tU。球形燃料便于裝卸、運(yùn)輸和循環(huán)利用，每個(gè)燃料球都可進(jìn)行燃耗測(cè)量，能夠平均地達(dá)到深燃耗。在功率較小的反應(yīng)堆用過(guò)的燃料球，也可以在較大功率堆上繼續(xù)利用，這能顯著改善小堆燃料成本較高的問(wèn)題，對(duì)提高小堆經(jīng)濟(jì)性有重要意義[13]。

5.5 規(guī)則床模塊堆設(shè)計(jì)參數(shù)

一種典型的規(guī)則床模塊式高溫氣冷堆設(shè)計(jì)，如圖3所示。堆芯直徑3 m，堆芯高8 m，可采用高溫氣冷堆較小直徑壓力殼，由于在軸向和徑向展平功率，在現(xiàn)有設(shè)計(jì)的安全限值下，熱功率就可以達(dá)到400 MW。如將堆芯直徑稍加放大，規(guī)則堆積床的中心部位可放置石墨球，在保持燃料球比功率不變的情況下,就可以擴(kuò)大反應(yīng)堆功率，能夠?qū)峁β侍嵘?00 MW，參見(jiàn)表1中的設(shè)計(jì)參數(shù)(取自參考文獻(xiàn)[18])。

由圖3可見(jiàn)，堆芯燃料球的上下和側(cè)面可以規(guī)則堆積石墨球，形成石墨球反射層，能夠降低相鄰石墨塊的快中子輻照劑量，減少和避免石墨塊更換問(wèn)題。這些規(guī)則堆積的外圍區(qū)域還可以安置釷覆蓋粒子增殖球，產(chǎn)生U-233后,在下一次換裝堆芯中作為燃料直接應(yīng)用，能夠以最簡(jiǎn)單方式有效地實(shí)現(xiàn)釷的利用。關(guān)于燃料球如何堆積成規(guī)則床，可以觀看一個(gè)由塑料球演示的規(guī)則堆積視頻(大約13 MB，可由郵件發(fā)送)。

圖3 規(guī)則床模塊式高溫氣冷堆垂直剖面圖Fig.3 Vertical cross-section of the ordered bed modular reactor (OBMR) 小吸收球出口；2—下石墨反射層；3—下石墨球反射層；4—反應(yīng)堆堆芯；5—中心石墨球；6—上石墨球反射層；7—上石墨反射層；8—小吸收球貯罐；9—控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；10—換料穿管；11—壓力殼；12—控制棒；13—外石墨球反射層；14—外石墨反射層；表 1 規(guī)則床模塊式高溫氣冷堆設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Predicted performance data of OBMR

性 能方案1方案2方案3反應(yīng)堆熱功率/MWth400500600堆芯截面形狀八角形八角形八角形堆芯當(dāng)量?jī)?nèi)徑/m0095095堆芯當(dāng)量外徑/m3013433725堆芯高/m806380638063中心石墨區(qū)高/m0403403燃料球數(shù)338542422263502031上下石墨球數(shù)487386335474842中心區(qū)石墨球數(shù)01775917759燃料球平均功率/kW/球118118120堆芯平均功率密度/MW/m3697672683氦入口溫度/℃250250250氦出口溫度/℃850850850系統(tǒng)壓力/MPa777氦流量/kg/s127159191堆芯壓降?/kPa184170176

* 包括燃料球和上下石墨球?qū)訅航?

6 采用嶄新的能量轉(zhuǎn)換方式，打造既是小堆又是大堆效率極高的清潔能源電站

高溫氣冷堆的熱電轉(zhuǎn)換以前有兩種方式，一種是將冷卻堆芯的氦氣，直接進(jìn)入氦氣輪機(jī)發(fā)電。這種直接氦氣布雷頓循環(huán)，柱狀堆設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到47%[14]，球床堆可以達(dá)到42%[15]。氦氣輪機(jī)發(fā)電技術(shù)先進(jìn)但不成熟，尚處于小規(guī)模示范研究階段。另一種是高溫氦氣經(jīng)過(guò)熱交換，與高參數(shù)蒸汽輪機(jī)配合，球床堆也能達(dá)到42%的熱電轉(zhuǎn)換效率。由于蒸汽回路壓力高達(dá)13MPa,而氦回路壓力為7MPa，需要考慮熱交換過(guò)程中水蒸汽漏入氦回路，導(dǎo)致堆芯進(jìn)水的可能，并需要采取一些應(yīng)對(duì)措施。

現(xiàn)在我們提出的能量轉(zhuǎn)換方式是高溫氣冷堆與燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組耦合，釆用成熟技術(shù)而且具有一系列優(yōu)異性能。天然氣燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)是國(guó)際上商用成熟技術(shù)，已經(jīng)具有較大規(guī)模的使用經(jīng)驗(yàn)。這兩項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合，在工程上是可以實(shí)現(xiàn)的。核能與聯(lián)合循環(huán)耦合的工藝流程如圖4所示，空氣被壓縮以后首先由核能加熱，即通過(guò)氦氣與壓縮空氣熱交換，被加熱至800℃(以后可能提高至950℃)后，再進(jìn)入天然氣燃燒室及燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)。高溫氣冷堆與聯(lián)合循環(huán)之間由氣氣換熱器連接，該換熱器選用微流道板式換熱器。聯(lián)合循環(huán)的流量和壓比等設(shè)計(jì)參數(shù)需要考慮與核能聯(lián)合的新特點(diǎn)，其中壓縮機(jī)有中間冷卻器，獲得壓比高和溫度低的參數(shù)，將更有利于發(fā)電的總體經(jīng)濟(jì)性[16-18]。

可以在初步預(yù)測(cè)的參數(shù)下，分析新聯(lián)合系統(tǒng)的技術(shù)性能和應(yīng)用特點(diǎn)。假如空氣壓縮后，溫度為220℃，氦氣回路在換熱器的進(jìn)出口溫度為850和250℃，高溫氣冷堆的熱功率為400 MW，壓縮空氣被加熱到800℃。同時(shí)假定加入天然氣的燃燒功率也是400 MW，燃?xì)廨啓C(jī)初溫可以達(dá)到1380℃，燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的熱電效率能夠達(dá)到60%。聯(lián)合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖5，這種核能燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)可以有四種應(yīng)用和運(yùn)行方式：

圖4 核能燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)Fig.4 Nuclear-natural gas coupled-cycle system diagram LC：低壓壓氣機(jī)；IC：間冷器；HC：高壓壓氣機(jī)；HE：加熱換熱器；CC：燃燒室；HT：高壓渦輪；LT：低壓渦輪；PT：動(dòng)力渦輪；RB：余熱鍋爐；ST：汽輪機(jī)；CD：冷凝器；FP：給水泵；EG：發(fā)動(dòng)機(jī)

圖5 核能與燃?xì)饴?lián)合循環(huán)耦合示意圖Fig.5 Schematic of the nuclear-natural gas combined cycle coupled-cycle 1—規(guī)則床模塊式高溫氣冷堆；2—氦風(fēng)機(jī)；3—氦氣壓縮空氣換熱器；4—豎井壁；5—空氣入口；6—間冷器；7—燃料；8—燃燒室；9—渦輪；10—余熱鍋爐；11—排氣；12—發(fā)電機(jī)；13—壓氣機(jī)；14—汽輪機(jī)；15—冷凝器；16—給水泵

6.1 核能基本負(fù)荷運(yùn)行

核能燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的基礎(chǔ)是高溫氣冷堆配合空氣布雷頓循環(huán)，不加入天然氣只消耗核燃料時(shí)，是一個(gè)典型的小堆設(shè)計(jì)，適合供應(yīng)基本負(fù)荷。燃?xì)廨啓C(jī)的初溫為800℃(或以后可能提高到950℃)，配備專(zhuān)用的低參數(shù)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，以熱電效率40%發(fā)電。當(dāng)熱功率為400 MW或600 MW時(shí)，滿(mǎn)足電網(wǎng)160 MW或240 MW的需要。當(dāng)電功率為240 MW時(shí)，這樣的4座堆也可以組合成大型核電站，滿(mǎn)足電網(wǎng)對(duì)大型電站的需要。

與壓水堆相比，它的特點(diǎn)是具有固有安全性，在斷電事故時(shí)，即使控制棒不動(dòng)作，也能停堆和排出余熱，不會(huì)出現(xiàn)堆芯熔化事故。反應(yīng)堆核心部位安置在地下，具有高度防衛(wèi)能力，可以避免出現(xiàn)危害嚴(yán)重的低概率事件。它的包覆顆粒燃料中，U-235富集度較壓水堆高，但燃耗深度可能達(dá)到120000MWd/tU以上，具有較好的燃料利用率，因此是一種安全性、經(jīng)濟(jì)性有競(jìng)爭(zhēng)力的堆型。燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)還有許多優(yōu)點(diǎn)，特別是它需要的冷卻水量少，廠址選擇較容易，能夠在不靠近海洋和大河流的內(nèi)陸地區(qū)建設(shè)。

6.2 雙燃料滿(mǎn)功率運(yùn)行

在具有燃?xì)夤?yīng)條件時(shí)，以上述小堆系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在燃燒室加入天然氣(或其它燃?xì)?，以雙燃料供應(yīng)基荷方式運(yùn)行。假定反應(yīng)堆和燃燒功率均是400 MW，燃?xì)廨啓C(jī)初溫可以達(dá)到1380℃，耦合循環(huán)機(jī)組將以60%效率產(chǎn)生電力。一套裝置的電功率就能達(dá)到480 MW。如果以?xún)勺《崖?lián)合幾臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)，則可成為960 MW的大型發(fā)電站。

這種雙燃料運(yùn)行的大型電站，與1000MW的核電相比，大大提高了安全性，已經(jīng)達(dá)到第4代地下核電的安全水平。具有近1000MW發(fā)電能力，其中核電僅為320 MW(兩座小堆)。雙燃料電站的投資由1000MW燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組及320 MW核電(不包括其中常規(guī)島)投資組成，初步估計(jì)其總投資大約僅為大型核電站的50%，總投資的降低對(duì)發(fā)電成本影響較大。在燃料費(fèi)中，按現(xiàn)在的假定條件是核燃料和天然氣各占一半，兩種燃料均以60%的效率發(fā)電，估計(jì)天然氣價(jià)格在2元/m3以下時(shí)，雙燃料發(fā)電成本不高于現(xiàn)在核電的上網(wǎng)成本。再考慮到在這種系統(tǒng)中，核電安全系統(tǒng)簡(jiǎn)化、施工要求降低、建造工期縮短和選址容易等因素，與大型核電相比，具有突出的優(yōu)越性。

從天然氣利用的角度來(lái)看，也具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，天然氣用于核能聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，雖然投資增加，但在發(fā)電成本中，燃料成本降低近50%，因?yàn)楹巳剂铣杀具€不到天然氣成本的1/10。如上例所示，一個(gè)160 MW核能聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，加入400 MW天然氣燃料后，電功率就升到480 MW，凈增加320 MW，這相當(dāng)于天然氣以80%，而不是60%的效率獲得電力?？傊?，這種雙燃料系統(tǒng)是利用了高投資低燃料費(fèi)的核能與低投資高燃料費(fèi)和高效率的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)相結(jié)合，產(chǎn)生的新型發(fā)電系統(tǒng)具有明顯的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。

當(dāng)采用較大型600 MW熱功率高溫氣冷堆時(shí)，按這種組合方式，兩座堆配合燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)，電功率可以達(dá)到1440MW，將有更優(yōu)越的性能。

6.3 雙燃料調(diào)峰運(yùn)行

由于系統(tǒng)內(nèi)壓縮空氣被核熱源加熱到800℃或更高，已超過(guò)各種燃?xì)馊键c(diǎn)，加入的燃?xì)饪梢允侨魏伪壤?，能在極短時(shí)間內(nèi)(大約幾百毫秒)將功率提升到所需要的水平，這種性能正是電網(wǎng)調(diào)峰所需要的。因此，核能燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)以核能供應(yīng)基本負(fù)荷，以可能獲得的燃?xì)夤?yīng)尖峰負(fù)荷，成為既能帶基荷又能調(diào)峰的機(jī)組，大大降低了單純?nèi)細(xì)鈾C(jī)組調(diào)鋒成本，電網(wǎng)對(duì)此有廣泛需求。

特別是，將核能、燃?xì)馀浜巷L(fēng)能，以組合形式建設(shè)。以核能和風(fēng)能滿(mǎn)足基本電力需要，當(dāng)風(fēng)力不足時(shí)，由燃?xì)庋a(bǔ)充，這樣可以避免“棄風(fēng)”，更有效地發(fā)揮風(fēng)能或其它間歇式可再生能源效益，獲得清潔能源綜合性的良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

雙燃料新型發(fā)電站適合國(guó)情，對(duì)于核電投資高、天然氣價(jià)格高的國(guó)家，這種組合可以充分發(fā)揮清潔能源的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，有利于解決燃煤電站效率低、污染大的問(wèn)題，轉(zhuǎn)變電力能源結(jié)構(gòu)，支持國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

6.4 全核能雙燃料運(yùn)行

氫是未來(lái)最有希望得到大規(guī)模利用的清潔能源，高溫氣冷堆具有高效核能制氫的優(yōu)勢(shì)，能夠以很少產(chǎn)生溫室氣體的方式制取氫。在雙燃料發(fā)電系統(tǒng)中，氫替代天然氣或其它燃?xì)饧尤肴紵遥軌虺蔀橐环N全新的只依靠核能的高效電力能源。氫的燃點(diǎn)大約為570℃，在加入由核能加熱的系統(tǒng)后，可以在極短時(shí)間內(nèi)提升功率，滿(mǎn)足電網(wǎng)調(diào)峰的需要。

在夜間或用電少的時(shí)候，可由高溫氣冷堆或電力系統(tǒng)制取氫，在用電高峰時(shí)，以雙燃料運(yùn)行方式加入氫，能夠獲得更高的效率和良好的經(jīng)濟(jì)性。氫是可運(yùn)輸可貯存的能源載體，不僅能用于大規(guī)模的電力系統(tǒng)，還能夠在許多其它應(yīng)用領(lǐng)域替換不可持續(xù)的化石燃料，使能源體系向環(huán)境友好的方向轉(zhuǎn)變，雖然目前還有許多工作要做，但開(kāi)發(fā)了高溫氣冷堆和雙燃料發(fā)電系統(tǒng)以后，就可能實(shí)現(xiàn)更清潔的雙燃料高效率運(yùn)行方式。

7 安全經(jīng)濟(jì)高效清潔能源電站的主要研究開(kāi)發(fā)工作

(1) 首先需要利用無(wú)核材料的覆蓋粒子球形元件和石墨材料，在高溫條件下模擬水冷降溫過(guò)程、研究注水條件及材料受損情況，同時(shí)開(kāi)展高溫氣冷堆終極措施相關(guān)設(shè)計(jì)研究；

(2) 反應(yīng)堆本體安置地下豎井的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，高強(qiáng)度可移動(dòng)的保護(hù)頂蓋及其它輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及池水對(duì)泄漏氦氣的過(guò)濾特性等相關(guān)設(shè)計(jì)研究；

(3) 利用實(shí)際尺寸的石墨球在模擬堆芯上進(jìn)行規(guī)則床燃料裝卸和堆積實(shí)驗(yàn)，同時(shí)開(kāi)展專(zhuān)用裝卸設(shè)備、工具和儀器的研制，并進(jìn)行規(guī)則床流動(dòng)阻力等參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究；

(4) 研究有關(guān)燃料球屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)和燃料球循環(huán)利用問(wèn)題，為各種中小功率規(guī)模的發(fā)電或非電高溫堆應(yīng)用準(zhǔn)備條件；

(5) 開(kāi)展與燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組耦合的設(shè)計(jì)、配套設(shè)備和開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景等研究工作；

(6) 開(kāi)發(fā)研制氦氣與壓縮空氣換熱專(zhuān)用的微流道板式換熱器。

8 結(jié)論

我國(guó)已經(jīng)將高溫氣冷堆列為開(kāi)發(fā)更高安全水平核電的重要方向，通過(guò)前期研究，已經(jīng)具有燃料球、壓力殼、氦氣風(fēng)機(jī)、控制棒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等燃料和設(shè)備的初步生產(chǎn)基礎(chǔ)條件和經(jīng)驗(yàn)，但還需要實(shí)現(xiàn)最重要的安全性和經(jīng)濟(jì)性向商業(yè)應(yīng)用的跨越發(fā)展。在完成上述專(zhuān)項(xiàng)研究開(kāi)發(fā)以后，就可以直接設(shè)計(jì)和示范建造規(guī)則床模塊式高溫氣冷堆燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)清潔能源電站，這會(huì)在世界上邁出具有戰(zhàn)略意義的新一代安全經(jīng)濟(jì)高效清潔能源應(yīng)用開(kāi)發(fā)的重要一步。

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Advanced energy with safety, economy and high efficiency

TIAN Jia-fu

(Institute of nuclear and new energy technology, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

The fourth generation of nuclear power is expected to generate advanced, clean and low carbon energy. The High Temperature Gas-cooled Reactor (HTGR) is the new generation of nuclear power with new safety feature, but there are still potential safety issues that must be addressed in the existing HTGR design. In the event where reactor core meltdown prevented, other serious safety issues could cause serious radioactivity release accidents. It is imperative to rethink “safety conception” to address low probability events and learn from the experiences made in the earlier models of pebble bed reactor and prismatic reactor in the new type HTGR design. In addition, HTGR reactor could be coupled with conventional natural gas combined cycle and forms a nuclear-natural gas coupled cycle, it will provide an energy system with low investment and high cycle efficiency. Using nuclear heat and natural gas, this system can be used for base-load and peak power production. When the ordered bed modular HTGR is placed under ground, it can improve defense capabilities, prevents low probability events and becomes a new energy source that offers safety, economy and high efficiency.

nuclear safety；low probability event；ordered bed modular reactor; underground nuclear plant；natural gas combined cycle

2016-06-05

田嘉夫(1937—)，男，遼寧，教授，主要從事先進(jìn)核反應(yīng)堆開(kāi)發(fā)研究工作

TL3,TL4

A

0258-0918(2016)05-0579-11