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      核能和平利用主要集中于一种形式,为电网提供基本负荷电能,因此“核电”成了核能应用的代名词。模块式高温气冷堆具有先进的第四代核电反应堆特性,它的功率规模较小,目前设想是将多个模块堆组合成大型核电站为电网供电,以便与常规核电相竞争。这种堆型是否只能有这一种应用形式,是值得研究的问题。

      模块式高温气冷堆有两种设计,即球形燃料堆和柱状燃料堆,都采用燃料颗粒、氦冷却剂和石墨结构材料,实现高温高效率的发电和供应工艺用热。规则床模块堆是在这两种模块堆设计基础上的改进,是将燃料球在堆芯的随机堆积转变成有序排列的一种新设计。规则堆积可在一定几何形状的堆芯空腔内,由随机落入的燃料球自动排列,形成一种结晶状的密实体。这种改进能提高反应堆性能和参数,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循环利用方式,使小堆燃料成本大大降低,开辟出中小反应堆广阔的应用前景。本文就这种小型反应堆应用于船舶推进动力的可行性进行初步分析。关于规则床特性及规则床模块式高温气冷堆的设计及燃料循环利用的介绍,可见另外两篇中文文献[1,2]。

1.商用船舶核动力存在的主要问题

      全球贸易不断增长,船舶运输的二氧化碳排放量大幅度增加,两年前估计年排放量已达到11.2亿吨,约占世界总排放量的4~5%。特别是各国在这部分减排计划中,都没有找到有效的替换办法和制定可行的减排计划。另外,船舶运输主要依靠燃油,油价飞涨也急需寻找替代能源。因此应用核能又被提到议事日程。

      核能用于商船推进动力的研究已经进行了几十年,除了在破冰船上有些应用外,试验性的核动力商船只建造了3艘,没有取得商业运营的成功。其中主要原因是压水堆型造成的,因为船用堆远远小于商用发电压水堆的经济规模,而且在船上的压水堆燃料更换极其困难,只好延长换料期,导致燃料成本高而燃料利用率低。因此现有的船舶核动力仅能用于有限的军事目的,还不能实现商业化应用。

2.模块式高温气冷堆船用的可能性

      模块式高温气冷堆的固有安全设计排除了发生严重事故的可能,简化了反应堆系统,有利于船舶应用。它的合适的中小功率规模,高温高效率,以及可能直接与氦气轮机耦合的特性,作为船舶动力在很大程度上优于压水堆。因此很多人建议利用这种堆型作为下一代船舶动力,见文献[3~5]。

      但目前的两种模块式高温堆设计,都不能作为移动动力。随机堆积的球形燃料,在振动环境下,堆积密度会发生变化,影响安全运行。而柱状燃料在中子辐照环境下,燃料块间隙变化,容易引发燃料块移动和功率波动问题,因此都不适宜在摇摆和振动的环境下工作。另外,与压水堆相比,高温气冷堆堆芯功率密度低,压力容器尺寸大,因此屏蔽层的重量大,而且重心距底面很高,船用是很困难的。

3. 规则床模块堆特有的适应性

      燃料球规则堆积形成类似结晶体结构,耐振动抗冲击,与上述的两种高温气冷堆不同,振动不会改变堆积密度,球形燃料元件在膨胀、收缩和变形的情况下,仍然保持密集堆积特性,堆芯内不产生过大间隙,不改变冷却剂分配特性,具有优越的适应性、稳定性和抗震性能,适于在船舶动力的特殊环境下应用。

      规则床燃料球可以被堆积成垂直的八角形柱,也可以被堆积成水平的八角形柱,即堆芯可以水平放置。氦气冷却剂也没有流动方向的限制,可以向上、向下或水平地流过堆芯。这样,与现有的各类反应堆不同,细长的压力容器及能量转换容器可以水平放置。卧式布置与船的形状相一致,对船的空间利用、减轻屏蔽重量以及增强船体稳定性都极为有利,也在一定程度上弥补了压力容器直径和高度较大的缺点,见图1。

图1 船用核动力系统布置图
Fig.1 Conceptual layout of the marine nuclear power system
1- 控制棒驱动机构; 2- 辐射屏蔽层; 3- 压力容器; 4-空腔冷却系统; 5- 规则床堆芯; 6-连接管; 7-非能动冷却系统; 8- 回热器; 9- 预冷器; 10- 中间冷却器; 11- 发电机; 12- 透平; 13- 能量转换容器; 14-压缩机;

      如图1所示,氦冷却剂由压力容器一端封头进入,水平方向流经四周反射层,反转后进入堆芯,并由同一端封头流出,进入能量转换机组,发电后送到船舶动力系统。控制棒布置在四周反射层的孔道内,由机电和气动系统驱动,在水平方向移动。反应堆批换料方式运行,燃料球内添加可燃毒物颗粒,用来补偿燃耗反应性。

4. 船用堆堆芯设计举例

      现有采用核动力的建议,多半是考虑用于大型货船,因为货船只进出专用的货运码头,比较容易首先接受核动力。提出的反应堆热功率需求范围在20 MW至200 MW之间。现以80 MW为例,简单介绍规则床的堆芯设计。在水平放置的压力容器内,由石墨块反射层构成堆芯空腔。空腔的底面上有正方形排列的半球形凹陷,侧壁与底面形成90度或45度角,当燃料球由顶部随机落入时,就自动形成规则堆积。底面上相邻球的中心距为69.282 mm,球床堆积密度为0.6802。堆芯八角形截面的平面距为1931 mm,堆芯柱长为4220 mm。形成的堆芯体积为12.96 m3,包含球形元件76061个,见图2。估计这样的堆芯可以产生大于80 MW热功率。

 图2 八角形堆芯的纵横剖面
Fig.2 the transection and longitudinal section of the octagonal core


      在停堆和低温低压条件下进行换料操作,燃料球由上部(压力容器侧面)卸出和装入。在停堆的瞬间,每个燃料球的平均功率大约为0.1kW,12小时以后,大约为7W。这种发热水平的燃料球,可以密封在运输罐内,由罐外的空气自然对流冷却。罐的四周有辐射屏蔽层,罐的大小可随装球的多少而变化,与压水堆不同,不需要水冷条件和水下运输,因此,燃料球的转运相对简单和容易,详见文献[6]。

5. 船用核动力的经济性

      球形燃料元件在船用堆上可以实现定期换料,能更经济地利用燃料。假如,像核电站反应堆那样,满功率运行1年换料1次,这相当于船舶航行大约3~4年,进船坞换料1次,可以满足一般船舶续航力的要求。这就不需要采用高富集度燃料,富集度可以低于20%,既满足防核扩散的要求,又大大降低了燃料成本。

      在燃料球装入堆芯时,可以是不同燃耗深度的燃料球配合新燃料球,这时对燃料的装入要求一定的屏蔽条件。也可以是不同裂变材料含量的新燃料球装入堆芯,对燃料球不要求屏蔽,装入较为简单。但无论哪种方式装料,由于船用堆功率规模小和运行受到限制,卸出的燃料球平均燃耗较浅,更不能达到这种燃料特有的深燃耗。目前在模块堆设计中燃耗深度取值为80~120 MWD/kg(U),但很多实验表明,这种颗粒燃料还有进一步加深燃耗的潜力。而原有商船压水堆预计的燃耗深度仅仅为7 MWD/kg(U),是无法与此相比的。为在船用堆上能利用深燃耗燃料,可以采用大小堆“耦合利用燃料”的方法。这与文献[2]中所述燃料球循环利用相同,但是较简单的一种方式。

图3 核船燃料球循环系统流程图
Fig.3 The diagram of fuel sphere cycle system of nuclear ship

      具体做法是将船用堆(20~200MW)卸出的燃料球,送到核电站高温气冷堆(可能建在码头附近),经测量分检,确定了燃料球的实际燃耗后,作为一种装入燃料,在核电站反应堆(600~1000MW)中与其它燃料混合使用,达到允许的最大燃耗深度后,才作为乏燃料处理,见图3。在船用堆与核电站反应堆配合建设的条件下,考虑共用燃料,大大降低了船用小堆的燃料成本。在船用堆系统上,也可以不再考虑燃料循环利用和乏燃料处理问题,简化系统设置和最终退役问题。由核电站向船用堆提供和回收燃料,也有利于防核材料扩散问题。

      对燃料经济性可以简单分析如下:以80 MW船用堆为例,假定堆芯全部装入了新燃料,每个燃料球平均含铀量为9 g,在船舶航行3年,即反应堆运行1个满功率年后,这些燃料被卸出。平均燃耗已经达到40 MWD/kg(U),然后在核电站继续使用,达到120 MWD/kg(U)后成为乏燃料。一个燃料球释放的能量大约为26 MW-h,其中1/3是用在船上代替燃油。如果油船的耗油量按0.2 kg/hp-h(千克/马力-小时)计算,则一个燃料球的贡献就相当于1000 kg 燃油。一个燃料球国外估计的批量生产成本大约为几十美元,比燃油成本低得多,它的另外2/3能量用于发电。所以,这种方式利用核能,由于是直接替代燃料油,具有优越的经济竞争潜力。

6. 结论

      模块式高温气冷堆具有固有安全性,排除了发生严重事故的可能,简化了反应堆系统,有合适的中小功率规模,高温高效率,以及能够直接与氦气轮机耦合等特性,是先进船舶推进动力所需要的。规则床模块式高温气冷堆堆芯,有类似结晶体的堆芯结构,耐振动抗冲击,具有船舶应用需要的稳定性和抗震性。特别是它的动力系统,包括压力容器及能量转换容器,有可能水平布置,以及船用小堆可能大幅度降低燃料成本等重要特性,展现出商用船舶核动力的应用前景。

参考文献

[1] 田嘉夫, 先进的规则床模块式高温气冷堆概念, 核科学与工程,2008, 28(2):147-157.
[2] 田嘉夫,高温气冷堆技术开发需要改进和创新,中国核电信息网,2010.
[3] Adams, R. M., 1995, “Nuclear power for commercial ships,” Propulsion’ 95, a conference of maritime professionals sponsored by the Marine Log, New Orleans, LA, Oct 30-31.
[4] Crommelin, G. A. K., and Crommelin, Ir. W. F., 2004, “Inherently safe nuclear power generation with electrically coupled compressor and turbo expander(s),” Proceedings of ASME Turbo Expo, Power for Land, Sea, and Air, June 14-17, Vienna, Austria, GT-2004-53336.
[5] Lobet, P., Seigel, R., Thompson, A. C., et al, 2002, “A high temperature reactor for ship propulsion,” Proceedings of the Conference on High Temperature Reactors, Petten, NL, April 22-24.
[6] Tian J. A novel concept of the modular HTGR and its new application [C]. 4nd International Topical Meeting on high temperature reactor technology. Washington, DC, USA Sep. 28-Oct 1, 2008, HTR2008-58042.

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