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10兆瓦高温气冷实验堆:“一个真实的神话”

○特约记者 李大庆

  2005年6月,一个越洋长途电话打到了清华大学核能与新能源技术研究院(下称核研院)。美国《纽约时报》记者向核研院院长张作义了解10兆瓦高温气冷实验堆的建设和运行情况,并就未来核电站的发展问题进行了采访。这个引起美国媒体关注的试验堆就是国家“863计划”项目:10兆瓦高温气冷实验堆氦气透平发电项目。

  可能有不少人觉得,一个中国的科研项目被外国记者采访并不是什么新鲜事。但核研院的高温气冷堆被美国媒体关注却有其特殊的意义。首先,美国核专家认为清华的高温气冷堆发电装置是目前世界上最安全的核电装置,美国人称“这种安全的反应堆是一个真实的神话”;其次,在石油、天然气日益紧缺的今天,用氢做燃料被科学家们普遍看好,只不过制氢所需要的巨大能量使其成本太高,而清华的高温气冷堆能以很低的成本提供相对巨大的能量,从而大幅度降低制氢的成本。仅此两点就不难理解为什么美国人对这个中国的“863计划”项目如此关心了。可实现商业化运行的第四代核能系统。

  模块化高温气冷核反应堆是一种安全性好、可用于高效发电和高温供热的先进核反应堆,它是国际核能领域第四代核能系统中六种备选堆型之一,并且是唯一可在2020年前实现商业化运行的第四代核能系统。核研院建成了世界上第一个模块化高温气冷堆实验电站,在这一高科技领域,我国已经走在了世界前列。

  核研院承担的10兆瓦高温气冷实验堆是国家“863计划”能源领域重点攻关项目之一。其研究目标是:掌握模块化高温气冷堆的设计和建造技术并积累运行经验;进行模块化高温气冷堆固有安全特性的实验研究;开展蒸汽透平循环发电、氦气透平直接循环发电研究;进行高温工艺热应用研究。

  10兆瓦高温气冷实验堆项目计划分两个阶段进行:“高温气冷堆蒸汽透平发电系统”(一期工程),“高温气冷堆氦气透平发电系统”(二期工程)。

  一期工程达到满功率运行并网发电

  10兆瓦高温气冷实验堆项目的“一期工程”于1992年被“863计划”正式立项,1995年动工建造,2000年12月达到首次临界,反应堆设计热功率10兆瓦。一期工程采用具有两个热力循环回路的蒸汽透平发电系统:一回路为氦气循环,二回路为水/水蒸气循环,两个循环回路由蒸汽发生器耦合在一起。一回路氦气循环包括反应堆堆芯、热气导管、蒸汽发生器、氦风机等部件;核燃料的裂变能被石墨慢化剂转化为热能,循环冷却剂氦气将热能载出反应堆,经过热气导管流向蒸汽发生器,氦气通过蒸汽发生器将热能传输给二回路中的水/水蒸气,经过氦风机提供循环动力,流入反应堆堆芯继续循环;反应标明中文堆堆芯入口氦气温度为250℃,出口氦气温度为700℃,循环压力为3.0 兆帕(MPa标明中文)。二回路水/水蒸气循环包括蒸汽透平、蒸汽冷凝器、循环水泵、蒸汽发生器等部件;流经蒸汽发生器的水吸收氦气侧传递的热量被蒸发,进入蒸汽透平膨胀做功带动发电机发电,从蒸汽透平出来的乏蒸汽被冷凝器凝结为水,经过循环水泵加压,进入蒸汽发生器进行循环;二回路设计压力为3.45 兆帕(MPa **)、透平入口蒸汽温度为435℃,发电机功率约为2.5 兆瓦(MWe标明中文)。

  一期工程于2003年1月达到满功率运行并网发电。这是世界上第一座模块化高温气冷堆实验电站,它的建成引起国内外核能领域强烈反响:国内,该项目在十届人大政府工作报告中被列为四项重大科技成就之一,并获2004年度教育部科技进步一等奖;国际上,包括国际原子能机构、美国能源部及其它多国能源管理当局在内的国际核能领域官员和专家络绎不绝地到我国参观10兆瓦高温气冷实验堆。鉴于我国在模块化高温气冷堆方面取得的成就,国际上包括美国通用原子能公司、俄罗斯OKBM研究院、韩国原子能研究院、南非Eskom公司等多家国际核能领域研究机构和能源公司主动提出与核研院合作进行高温气冷堆电站的研究与开发。

  二期工程已取得阶段性成果

  在10兆瓦高温气冷实验堆一期工程蒸汽透平发电系统实验电站设计建造并成功运行的基础上,国家继续对高温气冷堆技术的研究与发展给予支持。核研院适时提出10兆瓦高温气冷实验堆后续研究项目(二期工程):高温气冷堆氦气透平发电系统,被批准作为“十五”期间能源领域重点攻关项目纳入“863计划”,并于2003年与科技部签订“863计划”课题任务合同书。该项目包括两大研究领域:1、10兆瓦高温气冷实验堆运行考验和固有安全实验;2、10兆瓦高温气冷堆直接氦气循环发电装置。

  在10兆瓦高温气冷实验堆一期工程蒸汽透平发电系统满功率运行并网发电的基础上,核研院完成了一系列运行特性研究和固有安全性验证实验:包括15项运行特性研究和8项固有安全特性验证实验。

  2004年9月30日上午10点08分32秒。清华大学核研院。来自30多个国家的60多名核能专家和国际原子能机构的官员纷纷屏住呼吸,静静地察看着10兆瓦高温气冷实验堆开始的核安全演示。工作人员通过操作让核反应堆冷却剂循环风机停止工作,立刻反应堆向外传输热量的能力丧失了。要知道,核反应堆在停堆之后还会继续产生热量,而不是像锅炉熄火后便不再产生热量。这个热如果不加以冷却,反应堆就可能发生堆芯熔化、放射性外泄的严重事故,这也是核安全的最主要的技术挑战。循环风机刚一停止工作,报警声便剌耳地响起,中外宾客瞪大眼睛盯住显示屏上的变化,只见正常运行的曲线急剧下降,反应堆的热功率由3000多千瓦降为几百千瓦,最后反应堆发热维持在正常运行时的1.5%左右。这表明热量通过反应堆压力壳的表面自动散发到周围环境中,而不需要任何附加的冷却系统。

  核研院的这一实验展示了模块式高温气冷堆的一个最重要特性:在任何事故情况下,包括丧失所有冷却的情况下,不采取任何人为的和机器的干预,反应堆能保持安全状态。我国已经掌握核电站的最新一代技术。

  美国麻省理工学院教授、美国核学会前任主席克达克先生对清华核研院的这一安全演示给予极高的评价:中国这个满功率运行的球床模块式实验反应堆是目前世界上唯一的一座,它的技术及安全水平已走在了世界的前列,美国希望从这个实验堆中学到更多的东西。

  10兆瓦高温气冷堆直接氦气循环发电装置是世界上第一个将模块化高温气冷堆与气体透平直接循环相结合的试验装置。经过两年多的努力,项目在几个关键技术上已经取得重大突破和进展:

  1)完成能量转换单元热力循环方案优化;2)攻克了氦气透平压气机组技术难关;3)破解了电磁轴承技术难题;4)解决了立式工作润滑油密封和变工作压力油站供油两个氦气氛围立式高速齿轮减速器的技术难题。

  高温气冷堆氦气透平直接循环发电是高温堆发展的方向,它的技术特点是:系统简单,只有一个热力回路;发电效率高,商用堆的发电效率可达47%左右,加上模块式高温堆的固有安全性特点,使之成为非常有竞争力的新堆型。但它也存在着一系列的技术难点和挑战,例如:氦气轮机与反应堆耦合技术、氦气透平的研制、高效紧凑式换热器的研制、电磁轴承系统研制、高压动力贯穿件等,都是各所属学术领域前沿课题。许多国家投入相当的人力物力进行研究开发,但都停留在研究设计阶段,只有我国的“10兆瓦高温气冷实验堆氦气透平发电系统”项目顺利进入实施阶段。清华大学核研院有能力、有信心按期建成世界上第一座模块化高温气冷堆氦气透平发电系统实验电站,保持我国在这一高技术领域处于国际领先水平,在国际能源领域新一轮竞争中抢占制高点,早日实现产业化,为我国核能事业作出重大贡献。

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2006-01-13]
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