先进的核反应堆 新能源概论结课作业 摘 目前，全球能源正处于向清洁低碳转型的重要时期。面对碳达峰和碳中和的目标，核电以其巨大的能量和清洁效率而备受关注，进入了优化产业结构和能源结构的主战场。作为核能发电的未来，第四代反应堆具有更高的安全性和经济性。Gen-IV技术开发和应用理念解决了确保重大核能安全、加强核病防治和核扩散的重大核能项目问题，减少民用核燃料能源浪费和自然资源废物综合利用，降低这些大型民用核电站的经济风险和技术成本。美国、俄罗斯、日本、韩国等主要核能国家正在加强先进核能系统的国际合作，积极开展先进核反应堆技术的研发。近年来,我国高度重视和积极投入先进核能系统的创新研发和示范工作。 关键词 核电；第四代；核反应堆；先进；国内外
引言 以前的世界核协会为基础(WNA)截至2021年1月1日，全球至少有32个发达国家正式投入使用大型核能设备发电，其中全球共有441台大型核电动力设备正式投入运营，总设计装机容量约为392.4GWe。据联合国最新统计，到2050年，世界各国人口仍将增长20多亿。根据中国政府间气候变化理事会(IPCC)2000年专题研究报告预测~2050年，如果中国经济继续保持快速增长，对电力的需求每年将增长近8倍。即使中国经济增长相对缓慢，对电力的需求也倍。全球对于生态环境仍然存在一种迫切的愿景,那就是维护生态环境的清洁。由于上述原因，预计到2050年将有数百至数千座新型反应堆建成投产。其主要目的是使核电比其他能源具有更高的成本和效益，使核电厂的安全达到不再需要场外分离或疏散的先进技术水平，包括减少废物排放，防止核材料的扩散，实现能源的可持续发展。
1 第四代核反应堆 1.1 四代堆概念 第四代反应堆是一种新型的反应堆，如超高温反应堆、快速反应堆等。其中，超高温反应堆（VHTR）第四代反应堆在可持续性、安全性、可靠性、经济性、抑制核扩散和物理保护方面都有了很大的改进。 第四代大型核电子能反应堆(Gen-IV)2009年美国核学会国际年会正式提出了设计概念。在当年11月的冬季物理学院学术会议上，进一步研究明确了一个Gen-IV技术开发与应用理念。2000年，美国、法国、日本、英国等核电发达国家共同参与了核电发达国家的成立Gen-IV核电国际技术讨论会和论坛,拟用2~未来三年半核电基本完成gen-iv国际目标发展规划的技术研发。核能项目的总体目标任务和主要目标是解决重大核能安全问题，加强核能防治和核扩散，减少民用核燃料能源浪费和自然资源废物综合利用，降低这些大型民用核电站的经济风险和技术成本。
1.2 四代堆研发目标 1.2.1 实现可持续性的目标 Gen-IV可持续性目标主要包括燃料资源的有效利用、废物管理和物质核扩散的限制。 可持续发展能力目标1： Gen-IV它将为中国乃至世界提供一种新型的可持续发展能源，以满足清洁空气的需求，长期稳定可靠，有效地综合利用燃料。 可持续发展能力目标2： Gen-IV所产生的核垃圾废料数量极小;所采用的新型核废材料管理模式将既可以妥善地针对核垃圾废弃物进行安全的处置,又可以显着降低工作人员的药品剂量,从而有助于改进公众的健康与环境。 可持续发展能力目标3： Gen-IV将商业核燃料再生循环造成的核扩散风险的可能性控制在最小范围内，难以转化为军事止恐怖主义活动提供更有效的手段。 1.2.2 安全可靠的目标 核能系统必须始终保持其安全充足，防止各种事故发生，并采取有效的事故预防和缓解措施。 安全可靠性目标1： Gen-IV在安全可靠的运行中，明显优于其他核能系统。该技术旨在减少设备问题和人为问题产生的数量，通过减少可能导致事故或使一般事故进展为严重事故的情况。为了将安全性和可靠性提高到最高水平，第四代核能发电系统必须继续引进和采用一套由行业和监督管理机构共同建立的相关国家法规，并在中国采用未来的先进技术。 安全可靠目标2： Gen-IV堆芯破碎的可能性很小；即使有损坏，也不会太轻。这一目标对业主/运营商/运营商至关重要。多年来，我们一直在努力降低垃圾堆芯破碎后的风险。主要措施包括： pra 分析方法写用户需求文档、在安全系统中引入非主动概念等。 安全性和可靠性目标3：事故发生时无厂外排气剂释放，无需厂外排气剂处理。公众，特别是生活在核设施附近的人，会认为有必要采取厂外应急措施，这是核能不安全可靠的证明。 gen - iv 其设计的一个斗争方向是通过设计和先进的技术来解决厂外的应急问题。 1.2.3 经济发展目标 gen-iv必须继续采取一些重大关键措施，彻底降低新建大型核电厂的巨大投资流动成本和巨大财务成本风险，否则，核电能力、安全和技术可靠性的巨大缺陷可能会被更昂贵的资本流动成本、巨大的发电设备成本和相应的巨大财务风险所淹没。近年来，随着我国可再生能源发电的快速健康发展和国家电力管理体制改革的逐步深化，提高核电设备实际经济性能的要求将更加迫切。近年来，随着我国可再生能源发电的快速健康发展和国家电力管理体制改革的逐步深化，提高核电设备实际使用经济性能的要求将更加迫切。新建大型核电厂长期工程造价($15002000/kw,其他大型化石生物燃料火力发电厂的长期工程造价为2与其他大型电力企业的长期生产经营模式相比，4倍)和相对较长的设备建设工程期、设备审批工程期和退役设备工程期基本无法相比。 1.3 第四代压水反应堆 国际知名核能源和科学工程技术相关领域的专家在三代高温压力热水反应堆技术堆的基础上，研究制定了第四代压水反应堆技术堆发展战略规划，提出了以下六种技术堆可供参考。 1.3.1气冷快堆系统（GFR） GFR该系统是指快速高中子谱线冷核反应堆，采用全封闭固体燃料加热循环。与热堆中子谱堆和氦冷却热堆一样，氦热堆冷却试剂及其出口的极高温使其无法用于发电、氧化氢生产或高效水处理热。GFR可采用氢循环直接生产氦的涡轮机发电，也可采用其生产工艺中的热容器进行氢热化学制备。通过优化综合利用，加快中子谱与系元素的完全融合再循环，GFR处理使用寿命长的高放射性固体废物的成本降到最低。 1.3.铅合金液态金属冷却快堆系统（LFR） LFR该系统是一种快速堆放中子在光谱下冷却铅或铀和铅/铋共晶液体复合金属燃料，该系统采用全封闭有效的燃料转化循环，实现铅和铀的有效燃料转化，同时控制系统元素。该循环系统在城市中心或邻近地区的固体燃料安全循环基础设施中成功实施了含有完全可再生系统元素的固体燃料安全循环。LFR冷却催化剂的反应温度一般为550℃,如果同时使用先进的隔热材料，温度可能达到800℃。热化学反应工艺也可直接用于在较高的工作温度下生产硫化氢。 1.3.熔盐反应堆系统（MSR） MSR 它是熔盐燃料的混合循环，该系统可以在各种超热谱和中子谱反应堆的混合循环中产生完全裂变的热能。熔盐燃料作为石墨燃料的热流通过薄层石墨材料芯表面进入连接石墨芯加热器的通道，产生大量的石墨超离子热谱和大量的中子谱。熔盐加热反应器产生的一定程度的热量直接通过中间热交换器直接传递到光电二极管的热回路，然后通过中间末端的热交换器直接传递到一定程度的能量热电流转换器和控制处理系统。变电厂典型交流输电功率密度控制标准水平约为1万MWe。 1.3.44液态钠冷却快堆系统（SFR） SFR 快堆系统主要是一种全封闭的固体燃料冷却循环，可以有效地控制系元素和其他可以快速转化氧化铀的热能转化。该元素燃料的再循环系统采用完整的元素燃料再循环，主要有两个解决方案： 1.中温规模(150)~500MWe)锆酸钠盐制冷堆采用高铀锆酸铝合金作为燃料，主要采用高温金属冶金和热处理工艺的合金燃料加热循环； 2.不同规模的中到大和微到小(5000)~1500MWe)大型硅酸钠无机盐水泥制冷堆，使用大量铀-235或其它氢氧化物燃料作为复合燃料，以主要位于欧洲和美国的美国技术研究中心为工作站和地点，以先进的工业废水处理和生产技术为主要技术核心的新型复合燃料技术。 1.3.5超临界水冷堆系统（SCWR） SCWR 在气和水的流体热力学温度临界点(3744℃、22.1Mpa)上述高温运行。SCWR电子系统主要用于有效生产民用电力设备的管理设计方案，其电子堆芯管理设计方案主要有两种：热中性电子谱或快速热中子谱，SCWR电子系统用户可以自由选择电子系统的管理设计方案。因此，发电系统主要提供两种新型燃料储能循环解决方案： 1.热中子谱堆上的开式循环； 2.元素快中子谱系水堆上的半封闭水循环，以先进的热水处理技术为主要基础，可以在乐谱系中心沸点对乐谱系元素中子进行全水循环。 1.3.6超高温空气冷堆系统（VHTR） VHTR氦气冷堆是一种以一次性氧化铀为燃料氦气循环的高温石墨。它能提供氢的热量，将堆芯和进出口的温度控制在1万℃,使其能够完全为我国石化或其他生产行业生产硫化氢或其它工艺氢供热。VHTR该系统主要被广泛设计为形成一个高效的系统，为高温和能耗的非直流电气化工艺应用提供了工艺级散热。该发电系统仍然具有很大的灵活性，利用大量的铀/钨和铀作为燃料进行循环，以提供技术改进后的固体废物排放和最小化产率。因此VHTR它不仅可以用于提供广泛的工艺热处理应用，而且不仅是一种高效的电力设备生产解决方案，而且保留了传统模块化高温空气冷却反应堆的理想安全性能特点。
国内外先进核电发展 2.1 国外主要核能国家 2019年，美国总统的签署使美国核能法规现代化并支美国下一代先进反应堆的法案《核能创新和现代化法案》( neima ),其中包括《核能创新能力法案》( neica )、《核能领导法案》( nela )等,其中neica主要支持先进反应堆的建设和部署,开发基于快中子的研究堆以测试先进反应堆的燃油和材料; nela旨在促进先进核反应堆技术研发,巩固美国在民用核能领域的全球主导地位。 俄罗斯联邦政府颁布《俄联邦"核工业综合体"发展国家纲要》,旨在通过安全发展核能,在遵守核不扩散的前提下,巩固俄罗斯在国际核技术和服务市场上的领先地位,包括加强核能技术创新和发展新一代核能技术。俄罗斯正致力打造以压水堆、快堆、浮动堆和空间核动力为代表的反应堆技术,成为支撑本国核能发展的重要源动力。与此同时,俄罗斯国家原子能集团公司(ROSATOM)将第4代核能系统研发国际合作框架协议有效期延长10年,加强先进核能系统的国际合作开发。 欧洲原子能共同体(euratom)成立了欧洲国家可持续核工业项目,把全球工业领域及其研究合作伙伴凝聚到一个新兴领域,共同开发第4代快速堆燃物技术,属于欧盟国家战略性能源科学与技术项目的组成部分。EURATOM可持续发展核能的长期目标是至2050年完成可持续发展的第4代核裂变反应堆的示范验证,并拓展核能(除发电外)技术的广泛应用。 日本内阁2018年批准的《日本能源发展战略规划》,至2030年核能占比将达到约20%,推动实验快堆和高温气冷堆两种方式来支持未来核能的研发,高温气冷堆还可以用来生产专门用于燃料和动力电池车辆和冶炼钢铁的氢气,降低大量温室化学物质的排放,实现能源战略目标。韩国积极开展钠冷快堆、高温气冷堆和全自然循环铅基微小堆等方面的研究。 2.2 国内先进核能技术发展 能源产业主管部门去年颁布的《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》中已经首次明确提出我国要积极地大力推动我国能源产业技术革命,抢占能源科技进步的技术制高点。我国将在今后五年内还将继续深入贯彻落实国家创新发展驱动核能发展国家战略,完善其在核能相关技术应用领域的核能科学成果研发和核能产业链服务体系,支持在中小型、高温核能气冷快速堆(SMR)、钠冷快速热堆、核能高温制氢等相关技术应用领域积极开展核能科学成果研究和技术示范应用工作。助推清洁低碳能源供应。 我国的陆地和海域自然生态环境多种多样,多用途 SMR 具有较为广泛的应用前景。过去10年里,在一体化小型堆核电机组、热点联产、城市供暖、海水淡化等领域加大了研发力度,推进核能综合利用、智慧核能等方面的应用。目前 ACP100、CAP200、和美系列一体化多用途供热堆、ACPR50S 均在积极部署工程示范项目的前期工作,满足不同领域的应用需求。 近年来,我国高度重视和积极投入先进核能系统的创新研发和示范工作。在能源政策的顶层规划下,我国在第4代核能系统(快堆、高温气冷堆等)和先进小型堆等方面取得了显著成果。200MWe具有固有安全特征的高温气冷堆示范工程正在建设。同时,围绕我国高温天然气冷堆未来应用的关键技术,积极开展国际交流。我国的实验快堆已成功并网发电;基于钠冷实验快堆,600MWe的示范快堆工程(CFER-600)正在建设,最终发展商用快堆,实现快堆的商业推广。我国已经启动了战略先导科技专项-未来先进的核裂变能 ads 衍生物ads革命性改造能ads衍生物系统,推动了国际核裂变能创新和发展,规划到2030年左右将实现以核裂变能为产业示范点的加速器推动核废物革命衍生物系统。此外,针对第4代核能体系候选堆型中铅基堆和电子熔盐堆等先进的核能设备和技术,我国也在积极推进,开展技术研发攻关。
3 结论 目前,全球能源正处于向清洁低碳转型发展的重要时期。先进核能技术为核能低碳拓宽了综合应用场景,且提升了核能的安全性和可持续发展要求。本文总结梳理了国外先进核能技术的发展规划和具体技术路线,介绍了国内先进核能技术发展的现状,指出未来先进核能技术发展的趋势。在国际社会日益受到碳排放约束的未来,清洁低碳高效核能的优势越来越明显。随着先进核能系统的革新设计和新一代先进核能技术的深入研发及综合应用,保证核能系统安全性的提升和经济性具有更强的竞争力,未来先进核能技术将有较大的发展空间,将更接近用户、更安全、低碳绿色、且提供多种核能拓展用途。