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【月度聚焦】ACP100自主创新征程
文章来源:中国核工业杂志 日期:2016年10月21日


    国际原子能机构一直鼓励发展和利用安全、可靠、经济上可行和抗核扩散的中、小型反应堆,于本世纪初提出革新型反应堆和模块化建造的概念。在2004年6月举行的一次学术会议上宣布了重新启动中、小型反应堆的开发计划,并于7月1日批准国际协作研究项目,正式启动中、小型反应堆的开发计划。

  模块式小型堆单堆热功率小,正常运行热储能小,停堆后的剩余衰变热少,有利于提高固有安全和通过非能动安全设施的应用实现反应堆的高度安全性,小型反应堆更有利于系统简化,对大型锻件的需求大幅减少,从而实现模块化的设计、制造、安装和简化运行维修,可以通过多模块组合成不同容量规模的核热电厂或核供热厂。模块小型堆在非电领域(包括工业工艺蒸汽、区域供热、海水淡化等)的应用也有广阔的市场需求。除此之外,还可应用于广大内陆地区、海岛、海上油气钻井平台的供电、供汽、供热。

  国际前沿发展

  小型反应堆有广阔的市场前景、开发的成本低、潜在的财务风险小、客户多元化,其中包括具有大型电网的工业化国家和无法负担及容纳大型核电机组的发展中国家,一部分革新型小型反应堆已进入工程研究开发阶段。近年来,世界核电技术发达国家如美国、法国、日本、俄罗斯等越来越多的企业积极致力于研发安全性好、又有经济竞争力的中小型多用途核反应堆。

  美国国防部正在进行模块式多用途小型反应堆的研究。美国能源部确信小型模块堆在美国有良好的市场前景,2011年拨款3890万美金用于模块式反应堆的商业化设计许可取证,并提供总科研经费5亿美金支撑模块式小型堆的研发。

  美国参议院还提出一项新的议案,将小型反应堆开发项目列入联邦政府资助名单,目标是于2018年获得美国核管会(NRC)颁发的建造许可证,在美国建设2座小型模块堆。议案规定的小型反应堆是指设计功率小于300MWe的堆型,功率小得甚至不到50MWe,目标包括到2015年使每个小型反应堆设计都能通过NRC设计认证,并在2018年1月1日之前获得NRC颁发的一步式建造-运行许可证。

  该议案规定,对于上述小型反应堆设计的开发,电力企业在每种设计的开发上必须担负至少50%的开发费用和75%的取证费用。其主要应用目标是人口相对较少而不需要大型发电设施的国家和地区,或者那些电网承载能力较弱的发展中国家。该议案的提出恰恰证明了联邦政府在革新型核能技术商用化推广中扮演的重要角色。

  日本东芝、三菱重工和日立等企业目前正计划开拓中、小型核反应堆市场,以迎合市场为降低碳排放而更多利用核能的趋势。据日本媒体报道,东芝企业正在研发一个功率为10MWe的小型核反应堆,该核反应堆可供日本3000个家庭用电。为满足用户在维护和安全性方面的需求,该核反应堆30年内不必更换燃料,并可在发生故障时自动停止运行。三菱重工也正在研发一个350MWe的小型核反应堆。该核反应堆已完成概念设计,其设计强调结构简单和安全性。此外,日立企业也在和美国通用电气企业合作研发功率为400~600MWe的中型核反应堆,产品主要面向东南亚、东欧和非洲等发展中国家和地区,也包括加拿大和美国的阿拉斯加州等地,价格预计为3000亿日币(约合28亿美金)。

  此外,国外还提出了很多中、小型先进反应堆方案,例如俄罗斯的VBER150、VBER300、KLT-40,韩国的SMART和阿根廷的CAREM等。俄罗斯于2007年开建的世界上第一艘浮动核电站就是利用KLT-40S小型反应堆为热源,于2011年投入使用;2006 年6月开始利用两座KLT-40S水冷堆建造一个300MWt/70MWe核能热电联供中试厂,已宣布计划为俄罗斯联邦的用户建造5个这样的联供厂以及另外两个拥有11MWeABV反应堆的工厂。阿根廷已完成功率为27MWe的CAREM原型堆的设计,并于2014年开始建造。

  若干一体化压水堆设计的开发工作取得了很大进展,一些设计可以在大约2015~2020年间交付使用。由美国西屋电气企业牵头的一个国际财团国际反应堆的革新与安全项目开发的335MWe反应堆在试验和开发方面已经做了大量工作。韩国以热电联供为目标开发的330MWt“系统一体化模块式先进反应堆”已完成了基本设计和关键技术的研究试验。

  在印度,为热电联供应用开发的第一座300MWe先进重水堆的建造工作预计在下个10年初开始进行。该反应堆是为利用铀233-钚-钍燃料运行而设计的。反应堆设计单位巴巴原子研究中心正在与印度原子能监管机构进行许可证审批前的协商。

  在日本,东芝企业正在与中央电力工业研究所和西屋电气企业合作开发4S型钠冷堆。该反应堆的设计功率为10MWe,换料周期为30年。计划在下一个十年的前五年中建造示范堆和进行安全试验。

  在美国,两家核电企业取得了必要的常识产权,以进行两座非厂内换料小型反应堆的设计开发。一座是NuScale水冷堆;另一座是采用氢化铀可分解燃料的海波龙电力企业的热管式模块式反应堆。有些堆设计用于远离输电网且负荷小的地区,还有些堆设计为群堆运行以便与大型机组竞争。美国能源部估算的50MWe机组的发电成本为5.4~10.7美分/千瓦时(阿拉斯加和夏威夷的电价为5.9~36美分/千瓦时)。

  澳门英皇赌场网址中国核动力研究设计院紧跟世界核能趋势,“十二五”期间制定了差异化发展战略,在成熟技术上通过成果转化开发了具有完全自主常识产权的模块式小型堆——ACP100,填补了国内空白。根据应用范围不同,ACP100分为陆上小堆和海上浮动堆,可为城市区域、工业园区、偏远地方、海洋开发、海岛建设等提供热电水汽等多元化能源需求。

  澳门英皇在线手机版小堆进程

  中国核动力研究设计院自2003年即瞄准核能海水淡化、核能供热市场开发新技术,并专门组建机构开展核技术应用新堆型的开发。

  2009年8月,模块式小型堆技术研究进入了院核电科研“十二五”规划项目清单。

  2010年6月澳门英皇赌场网址以中核科发[2010]162号 《关于集团企业重点科技专项和优先发展技术项目立项的通知》正式决定自主研发模块式小型堆。中海油和澳门英皇赌场网址当年签订的战略合作协议明确将小型堆合作写进协议中,为海上石油开采、供电、供汽及海水淡化提供能源需求开拓了又一新领域。

  在随后澳门英皇赌场网址召开的模块式小型压水堆科技专项第一次协调会后,以中核电纪要[2010]177号文正式确定了项目代号为ACP100。

  按照集团的部署,为筹集更多的科研经费支撑ACP100及同时开展后续先进堆型的研发,由核动力院牵头联合中国核电工程企业、中核新能源有限企业编报科研项目建议书向国防科工局、国家能源局、环保部等申报。

  为实现ACP100技术方案固化,核动力院启动了总体技术方案、核设计等18项专题的论证工作,于2010年8月确定了模块式小型堆的总体技术方案。根据确定的一体化反应堆、小钢安全壳淹没在水池中为主要特征的总体技术方案,梳理了需开展的7大类课题共计59个专题,编制了ACP100科技专项实施方案,并顺利通过了集团审查。

  其间,出于福岛核事故经验反馈、技术基础及研发进度紧迫考虑,对ACP100原小钢安全壳方案调整为小型干式混凝土安全壳,对原堆芯燃料45组调整为57组。

  2011年10月10日, “模块式小型堆关键技术研究及应用示范” 项目申请书获国家能源局立项批复(发改办高技[2011]2433号文),该项目是第一批获得国家高新技术示范项目资金支撑的核电项目,属于国家能源发展“十二五”规划中能源重点示范工程科研。

  很快,10月25日,“模块式小型压水堆关键技术研究”核能开发科研项目建议书获国防科工局以[2011]1142号文立项批复。该核能开发科研项目所攻关的技术主要有棒控堆芯、内置稳压、高功率直流蒸汽发生器、小型化控制棒驱动机构、非能动堆芯冷却系统和多堆联合控制主控室,为ACP100后续的技术升级版ACP100+提供了技术支撑。

  2012年12月,完成了ACP100标准设计,并编制完成《ACP100标准设计初步安全分析报告》。

  2013年10月,遵照集团“先建、再先进”的战略部署,由科研设计转入示范工程阶段。

  2015年9月25日,核动力院与英国劳氏船级社签订了ACP100S浮动核电站相关技术支撑框架合作协议。

  2015年12月30日,国家发改委复函澳门英皇赌场网址,同意浮动核电站ACP100S纳入能源科技计划“十三五”规划。

  2016年1月21日,多用途模块式小堆海南昌江ACP100示范项目建议书顺利通过集团董事会。

  2016年6月20日,收到环保部核与辐射安全中心《关于ACP100模块式小型堆安全性专题研究结论及建议的报告》,标志着模块式小堆ACP100核安全性能评价联合研究全面完成。

  2016年6月23~24日,国家能源局委托中咨企业评审国内四家单位的小堆技术方案。ACP100小堆顺利完成了专家咨询工作。

  近期,由中咨企业组织召开专家对《海南昌江多用途模块式小型堆工程项目初步可行性研究报告》进行了审议,并原则同意。

  为了小堆梦

  核动力院许多人的心中都有一个色彩斑斓、光彩夺目的小堆梦,正是在这个小堆梦的指引下,这群人一直执著向前。

  核动力院开发的ACP100模块式小堆具有安全性高、一体化、模块式、多用途的特点,尤其是福岛核事故之后,在固有安全性上下足了功夫,一体化布置、堆芯全埋、非能动氢复合器、自动卸压系统、重力注水堆腔淹没、非能动安全壳热量导出、非能动安全系统、多重放射性包容屏障等多项措施,保证了ACP100的先进性和安全性能达到更高的高度。

  ACP100的特点主要是:

  具有更高的安全性。模块式小型堆采用创新性一体化布置,消除了大LOCA事故,事故时通过重力和自然循环等非能动方式将堆芯热量导出,实现长期冷却,上部设置密封厂房作为二次屏障。安全分析表明,安全性远超三代核电的要求水平。

  具有良好的经济性。模块式小型堆系统简化、设备尺寸小、运输方便、运行操作更为简便。创新性的模块化设计技术,可实现工厂组装和现场安装,极大缩短了建造周期,并可根据用户负荷需求,灵活组合规模,滚动开发建设,有效降低了模块式小型堆的投资成本,确保了经济效益。

  具有广泛的适用性。模块式小型堆应急计划区半径小于500米,使得取消厂外应急靠近城市成为可能;较小的单模块功率和多用途功能,可满足不同用户需求;投资的灵活性、较好的经济性,在区域供电、城市供热、工业供汽和海水淡化等领域具有明显优势。

  目前在国防科工局、国家能源局、国家核安全局等部门支撑下,澳门英皇赌场网址模块式小型堆ACP100在国内小堆研发的路上已走在了前列:完成了近百项关键技术攻关、30余项关键设备研制和9大关键试验验证,取得了400余项专利,标准设计和初步安全分析已经完成,示范工程建议书已上报国家。核安全中心评估后认为:模块式小型堆设计方案充分考虑了日本福岛核事故的经验反馈,满足最新核安全法规要求,达到国际第三代核能技术水平,可用于示范工程后予以推广。此外,ACP100已完成IAEA组织的反应堆通用核安全审评GRSR,成为全世界第一个通过的小型堆堆型,将极大地促进模块式小堆“走出去”。

  结合海洋环境,ACP100S和ACP25S进一步改进,采用钢安全壳、长寿期棒控堆芯、反应堆处海面下等措施,确保换料周期超两年、事故时非能动余热导出、反应堆绝对安全。平台设计采用国际海事机构、船级社最新法规和标准,适应不同海域海况,实现了百年一遇正常工作,万年一遇安全停堆。同时加强对外合作,与国家核安全局、英国劳氏船级社等签订了相关法规标准合作协议。2015年ACP100S已纳入国家科技创新“十三五”规划,国防科工局已对ACP25S立项支撑,目前有望2017年启动示范建设,为澳门英皇在线手机版建设海洋强国贡献力量。

  为了更好地开展工作,核动力院还联合相关领域专家开展ACP100模块式小堆安全联合研究,包括小型核动力堆法规标准适用性研究、小型核动力堆应急规划区设置等内容。与此同时,针对不同业主单位、不同目标和不同区域的需求,进行不同的热电联供、水电联供、汽电联供等多套选择方案的研究。

  对于小堆落地,有关方面已做好了准备。(编辑系中国核动力研究设计院李松)

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