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

    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2x417MWt小堆即可满足1000MWe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。

图1  规则床堆积原理示意图

    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8m，在现有安全限值下，热功率可以达到400 MW。

图2  规则床模块式高温气冷堆结构示意图

    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。

图3　核能燃气蒸汽联合循环系统

    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。

    （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120000 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）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1380℃，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1000 MW级的核电站相比，安全性大幅提高，同时降低了投资，具有1000 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％。

    （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。