核电小型堆技术特征及厂址适应性分析

郑勇

摘 要：近年来，核电小型反应堆凭借固有安全性高、建造周期短、布置灵活等优势得到了世界各国的重视，美国、日本、俄罗斯等都相继研发出了不同类型的模块式小型堆，中国也正在山东某地建设2台10万千瓦的高温气冷堆师范工程。本文重点介绍了目前国内外几种典型的小堆技术，并从核电小型堆的技术特征出发，对核电小型堆厂址的适应性做了简要的分析，对核电小型堆的选址工作有具一定的参考价值。

关键词：核电工程；小型堆技术；厂址适应性

中图分类号：TM623.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）20-0137-02

1 核电小型堆概述

国际原子能机构（IAEA）将电功率在300MW以下的反应堆定义为小型堆，核电小型堆一般采用模块式的设计和建造理念及非能动的安全技术，通过模块式组合实现较大的规模容量。它可实现比三代压水堆更高的安全性、更短的建造周期和应用的灵活性，是一种可应用于不同需求和条件的新型核能系统。

小型反应堆单堆热功率小，正常运行热储能小，停堆后的衰变热少，最有利于提高反应堆的固有安全和通过非能动安全设施的应用实现高度的安全性，能很好地满足中小型电网、分布式电网、电网末端或边远地区供电、城市或工业供热及海水淡化、混合能源等特殊领域应用的需求。

2 核电小型堆现状及发展趋势

美国、俄罗斯、法国、日本、韩国、印度、阿根廷等国都在积极开展先进小型堆的研发和商业化努力。美国从事小型压水堆技术开发主要有4家机构：GenerationmPower公司、西屋公司、NuScalePower公司和Holtec公司，分别提出了不同的模块式小型堆设计，并开始实施研发计划，如：GMP公司设计的是单模块电功率180MWe的mPower；Nuscale公司设计的是单模块电功率45MWe的Nuscale；西屋电气公司设计的是单模块电功率225MWe的SMR；通用电器/日立公司设计的是单模块电功率311MWe的PRISM。这几种设计都采用一体化反应堆，充分利用成熟的核电技术和军用核动力技术，具有更高的安全性。

在国内，中核集团、国核技、中广核集团以及清华大学都在研发小型堆技术。我国高温气冷堆核电站示范工程由中国华能牵頭组织实施，项目以我国已建成投运的清华大学10兆瓦高温气冷实验堆为基础，是我国核电领域的一项标志性示范工程。

3 核电小型堆应用领域

美国发展小型堆主要用于取代逐渐退役的化石燃料电厂，应用于美国局部地区、特殊领域和分布式电网等方面，也可向发展中国家出口。美国只有1/4的电力公司具有投资建造1000MWe电站的能力，或者一次性投资80-100亿美元的能力，大多数美国电力公司的投资能力为10-20亿美元。因此，发展小型堆成为美国下一步核能发展和应用的重要选择。近年来我国能源局在规划开展分布式电网的研究，小型堆将是我国内陆广大地区、电网边远地区应用的最佳选择。

（1）在城市采暖供热领域：我国城市供热对能源的需求量在世界的前列，年耗煤数亿吨，占总能源消耗10%以上，随着城镇化进程加快和深化，采暖热负荷呈现迅猛增长态势。

（2）在工业供热领域：电力、建材、冶金、化工等能源消费密集的行业是我国支柱产业，这些行业的企业都建有不同规模的自备热电厂，使用的全部是化石能源，它们占大气污染的70%以上。

（3）在海水淡化领域：我国大部分工业集中于近、沿海地区，淡水资源匮乏。我国海洋国土面积接近300万平方公里，海岸线长达1.8万公里，海上钻井平台和远离大陆的海岛和军事基地都存在供电、供热及供气需求。

4 典型小堆设计介绍

mPower小型模块化反应堆是简化的、非能动、模块化压水堆，采用一体化布置。反应堆堆芯、蒸汽发生器、稳压器组合布置在一个普通压力容器中，热功率为530MWt，发电功率为180MWe。mPower采用核岛厂房地下布置的方式，将安全壳、乏燃料水池和最终热阱都布置在地下，大大加强了核电厂安全性。

Nuscale是一个小型的轻水冷却型压水堆，它将提供给业主可扩容的解决方案，即单个核电设施可以允许最多设12个NSSS模块。一体化的压水型NSSS将反应堆芯、蒸汽发生器和稳压器集成在压力容器内，它的主冷却剂在浮力驱动下进行自然循环，而不需要反应堆冷却剂泵。每台机组输出功率为45MWe。

我国目前正在组织建设两台10万千瓦高温气冷堆核电站示范工程，它采用包覆颗粒燃料（TRISO）构成的“全陶瓷型”球形燃料元件作为核燃料，两套核蒸汽供应系统带一台超高压汽轮发电机组发电。反应堆堆芯和蒸汽发生器分别设置在两个壳体内，并由热气导管壳体相连接，构成一回路压力边界，它的系统简单，电站发电效率可以达到40%以上。

5 小型堆的技术优势

5.1 模块化压水堆的技术优势

Nuscale反应堆的容积功率比比大型电站压水堆大4倍。西屋公司的W-SMR稳压器容积功率比大约是大型压水堆的5倍；SMR的放射性总量大约是大型压水堆的十分之一，还附加了多层屏障，使事故源项保持在非常低的水平；容器和设备的布置有利于自然循环。SMR的反应堆设计成细而高，其高径比达到6（PWR为2.5，BWR为2.0）；SMR反应堆的直径只有2.5-3.5m（PWR为4-5m，BWR为6-7m），SMR从容器外表面移出热量的效率是大型压水堆的2-4倍；SMR反应堆的停堆后的衰变热功率仅为大型压水堆的1/5-1/10，更便于采用非能动的方式导出；反应堆和乏燃料池布置在地面标高以下，使得SMR更能经受住外部自然灾害和认为事件的影响，并有利于减少事故后放射性物质释放的途径，具有更强的抗地震能力。

5.2 高温气冷堆技术优势

（1）核电站选址灵活：由于氦气轮机直接循环时可采用空气冷却塔散失余热，因此可建在冷却水源不足的地方。

（2）反应堆热效率高：由于采用耐高温的包敷颗粒核燃料，并用高温石墨作堆芯结构材料，堆芯出口氦气温度可达700～950摄氏度，加之氦气的热导率高，因此其热效率高，整个电站发电效率可以达到40%以上。

（3）固有安全性高：高温气冷堆的负温度系数大，堆型的热容量也大，因此在事故情况下，温度上升缓慢，即使在失氦情况下，堆型结构也不至于熔化，这就使得采取相应安全措施的余度增大。

（4）对环境污染小：由于采用性能稳定的氦气作冷却剂，氦气的中子吸收截面极小，反应堆一回路放射性剂量较低，而且由于热效率高，其排出的废热也比轻水堆少35%-40%，由于热污染少，因此可建在人口较密的城镇附近。

（5）有综合利用的前景：由于堆芯出口氦气温度可达700～950摄氏度，除发电外，还可将反应堆的高温工艺供热直接应用于炼钢，制氢，煤的气化、液化等方面，达到综合利用的目的。

6 核电小型堆厂址适应性要求

小型反应堆厂址选择相比较大型堆有更大灵活性，在冷却水源、地震地质、交通运输、环保、人口、应急计划区等方面，都可望与现行厂址选择标准有所不同。具体如下：小型堆因其反应堆为模块化整体结构，且大都深埋地下，因此其抗震能力明显高于大堆，即对地震发生的适应性要强于大型核反应堆；小型反应堆由于其单堆功率小，单个厂址相对大堆来讲，所需冷却水量较小，在内陆可选在水流量较小的河流或水库附近区域；小型堆设备和模块重量大大减小，对于大件运输的要求大大降低。可选择公路，铁路，海运，河运等多种方式进行设备运输；小型反应堆对于环境辐射剂量远小于大型核电站，无废液排放到厂外，可取消厂外应急，因此其限制发展区半径有望随之减小；小型反应堆对环境辐射剂量远小于大型反应堆，因此周围公众的个人有效剂量较小，因而对周围人口密度要求可以放宽。

参考文献

[1]左开芬，林登彩，冷玉庭.高温气冷堆的进展与前景.清华大学学报（自然科学版），2000.40（S3）：211～218.

[2]刘志铭，丁亮波.世界小型核电反应堆现状及发展概况[J].国际电力，2005，9（6）：27-31.endprint