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开辟规则床高温气冷堆研究新方向 提出核-气双燃料发电新方案——清华大学核能与新能源技术设计研究院田嘉夫教授研究成果

2020-08-24

 

清华大学核能与新能源技术设计研究院田嘉夫教授从20 世纪60 年代开始致力于先进核反应堆开发研究工作,他和团队利用我国高温气冷堆已有的燃料球做成规则球床模块堆,配合成熟的燃气蒸汽联合循环,使双燃料的热效率达到60%,仅用两座2x417 MWt小堆即可满足1 000 MWe发电需求,不仅安全性好,技术设备成熟度高,总投资也不超过全核电投资的50%,能够满足多国电网基荷和调峰的需要。而且作为一个新的移动核动力装置,反应堆压力容器卧式放置搭配燃气轮机,具有重量轻、启动快和形体适用性强等优点。
 
1 新型高温气冷堆成熟技术——规则床模块式高温气冷堆
高温气冷堆主要有柱状燃料堆和球形燃料堆两种堆型,这两种堆型均存在一定程度的不足。柱状燃料堆由于燃料块体积大,不仅加工制造和辐照考验困难,在堆内的辐照变形出现间隙和振动问题也难以解决。球形燃料堆运行过程中所有燃料球都在不停的旋转和移动,会产生大量石墨粉,具有一定的安全隐患,且高温下燃料球移动特性尚不完全清楚,很可能在某些边角处有结晶化倾向,造成移动速度过慢,引发超燃耗限值,产生不应有的放射性释放。此外,燃料球移动会导致轴向功率分布严重不均,使平均功率降低50%以上。
田嘉夫教授与团队结合上述两种堆型存在的问题,提出一种新型高温气冷堆成熟技术——规则床模块式高温气冷堆。规则床模块高温气冷堆将燃料球在堆芯的随机堆积转变成有序排列,采用球床高温气冷堆同样的燃料球,适用于同样的强放射性环境。如何使燃料球从堆顶落入堆芯后形成规则堆积?田嘉夫教授的研究表明只要在堆芯的底面上加工很多半球形凹陷,使落入的燃料球成正方形排列,每4个球的中心又形成新的凹陷,成为次一层球的位置,以此层层累积就形成了正四棱锥规则堆积(图1)。这时围成堆芯的侧壁呈正方形、长方形或是八角形。这种改进能全面提升反应堆性能和参数,排除球形燃料堆设计中的不确定因素,简化堆体结构和运行方式,使燃料装卸运输和贮存发生重大变化。特别是它能建立一种燃料元件在大小堆循环利用的方法,使小堆燃料成本大大降低。
规则床高温气冷堆的设计性能(单堆功率、输出温度和热电转换效率等)都接近和高于柱状燃料堆,设计后的断面图形与柱状堆相似(图2)。如果采用高温气冷堆较小的压力壳,以及配套的风机等设备,堆芯直径3 m,堆芯高8 m,在现有安全限值下,热功率可以达到400 MW。
 
2 高温气冷堆与天然气燃气轮机相结合的双燃料新型发电模式
采用燃气蒸汽联合循环可以高效利用燃料,是目前世界电力工业发展的一个趋势,但我国天然气资源有限,限制了这种能源技术的大规模发展。核能对于减少温室气体排放和治理环境污染具有重要意义,但核能电厂投资成本较大,且由于发生事故的后果严重,安全问题一直是制约核电发展的一个重要因素。田嘉夫教授与团队针对上述两种能源技术上的优势及限制因素,在现有成熟技术基础上,提出将规则床高温气冷堆与天然气燃气轮机组合成核-气双源发电厂,该方案技术成熟且具有较高的性价比。
“核-气双源发电”工艺流程如图3所示,空气被压缩后首先由核能加热,即通过氦气与压缩空气热交换,被加热至800℃后,再进入天然气燃烧室及燃气蒸汽联合循环系统。联合循环的流量和压比等设计参数需要考虑与核能联合的新特点,其中压缩机最好有中间冷却,获得压比高和温度低的参数,将更有利于核能的应用。
假如空气压缩后,温度为220℃,氦气回路在换热器的入出口温度为850℃和250℃,高温气冷堆的热功率为400 MW;压缩空气被加热到800℃,假如加入天然气的燃烧功率为400 MW,燃气轮机初温可以达到1380℃,燃气蒸汽联合循环的热电效率能够达到60%。核能燃气蒸汽联合循环可以采用核能小堆基本负荷运行、核-气双源发电厂满功率运行、核-气双源发电厂调峰运行三种运行方式。
2.1 核能小堆基本负荷运行
核能燃气蒸汽联合循环的基础是高温气冷堆配合空气布雷顿循环,是一个典型的小堆设计,不加入其他燃料时只消耗核燃料,适合供应基本负荷。燃气轮机的初温为800℃,配备专用的低参数燃气蒸汽联合循环机组,以热电效率40%发电。核能小型堆机组的热功率400 MW,电功率160 MW。与小型压水堆相比,它的特点是具有固有安全性,在断电事故时,即使控制棒不动作,也能停堆和排出余热,不会出现堆芯熔化事故。它的包覆颗粒燃料,虽然燃料 U-235富集度较高,但燃耗深度可能达到120 000 MWD/tU以上,具有较高的燃料利用率。核能小堆基本负荷运行与其他大型核电站相比,具有优越的安全性和经济性。燃气蒸汽联合循环的许多优点也都能显现出来,特别是需要的冷却水量少,厂址更容易选择。
2.2 核-气双源发电厂满功率运行
在具有天然气源的地区,以上述小堆为基础,在燃烧室加入天然气,以核-气双源方式运行。假定燃烧功率也是400 MW,燃气轮机初温可达到1 380℃,联合循环将以60%效率产生电力。一套装置的电功率就能达到480 MW。如果以两座小堆联合几台燃气轮机和蒸汽轮机,则成为960 MW的大型发电站。这种核-气双源运行的大型发电站,与1 000 MW级的核电站相比,安全性大幅提高,同时降低了投资,具有1 000 MW发电能力,其中核电为320 MW(两座小堆),其总投资仅为大型核电的50%。
2.3 核-气双源发电厂调峰运行
由于系统内压缩空气被核热源加热到800℃以上,加入的天然气可以是任何比例,能在极短时间内将功率提升到所需水平,这种特性正是电网调峰所需要的。因此,核能燃气蒸汽联合循环以核能供应基本负荷,以天然气供应尖峰负荷,成为既能带基荷又能调峰的机组,电网对此有广泛需求。特别是将核能、天然气配合风能以组合形式建设,核能和风能满足基本电力需要,当风力不足时,由少量天然气补充,这样可以避免“弃风”,更有效地发挥风力可再生能源效益。