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全球首座“最安全核电站”,成功并网发电!

浏览: 发表时间:2021-12-20 19:18:07

12月20日,全球首座球床模块式高温气冷堆核电站——山东荣成石岛湾高温气冷堆核电站示范工程送电成功。这是全球首个并网发电的第四代高温气冷堆核电项目,标志着我国成为世界少数几个掌握第四代核能技术的国家之一,意味着在该领域我国成为世界核电技术的领跑者。


从这一刻起,从石岛湾核电站发出的电能将由国家统一调度,为千家万户送去日常用电。


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作为我国自主设计、建造、调试和运营的新一代核电项目,石岛湾高温气冷堆核电站示范工程由中国华能联合清华大学、中核集团共同建设,装机容量20万千瓦,2006年被列入十六个国家科技重大专项之一,2012年底在山东荣成开工建设。


高温气冷堆核电站关键核心技术完全属于中国,设备国产化率高达93.4%,形成的约5万张图纸、10万页文件,15000多件技术含量高、安全设计要求高的核岛设备等,我国都具有完全自主知识产权。


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目前世界上大部分核电站均采用压水堆堆型,属于热中子反应堆的一种。现代化的压水堆核电站是人类工业技术的一个高峰,在全球能源供给中发挥了重要作用,我国的秦山核电站和大亚湾核电站均属此类。

而高温气冷堆,顾名思义,必然包含“高温”、“气冷”等与其他核反应堆不同的特点。

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与压水堆发电的原理一样,高温气冷堆也是通过核能-热能-机械能-电能的转化实现发电。不同的是,高温气冷堆不是通过“水冷”而是通过“气冷”的方式进行堆芯冷却和热传导,即冷却剂是气体。我国高温气冷堆的冷却剂是氦气。作为一种理想的惰性气体,氦气化学性质稳定,高温下不容易与反应堆的其他物质发生反应,并且有着较好的热力学性能。

不同于轻水堆、重水堆核电站以水(H2O)和重水(D2O)作为慢化剂,高温气冷堆采用石墨作为慢化剂,具有良好的耐高温特性。

以氦气为冷却剂、以石墨为慢化剂,加上堆内核燃料和其它材料均采用耐高温材料,这些条件使得高温气冷堆的工作温度和冷却剂的堆芯出口温度可以达到其它堆型难以企及的高度——900~1000摄氏度。


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11月3日,我国高温气冷堆技术的开创者王大中院士获得2020年度国家最高科学技术奖,标志着国家对该项技术的高度认可。与此同时,在10月份召开的中国核学会年会上,首个以堆型命名的分会——高温堆分会也正式挂牌成立,高温气冷堆技术掀起的热浪可见一斑。当然,高温气冷堆如此吸睛,主要得益于它“过硬”的本领,即固有安全性高、高温多用途、模块化。

固有安全性高。高温气冷堆被称为“不会熔毁的反应堆”,高温气冷堆核电站也被誉为“最安全的核电站”。在任何的事故情况下,反应堆都不会熔化,也不会造成大量放射性释放,给核能应用带来一个新的境界。

它的核燃料元件是耐高温全陶瓷包覆颗粒球形核燃料元件,也可以叫做燃料球。在石岛湾高温气冷堆示范电站,燃料球直径6厘米,最外层是石墨层,里面是弥散在基体石墨粉中的大约12000个四层全陶瓷材料包覆的、直径约0.9毫米的核燃料颗粒。实验表明,这种燃料球在1620℃高温条件下,仍能够保持完好并有效地阻挡放射性的泄漏。而且,由于良好的温度负反馈性,即便遇到极限事故,反应堆的堆内温度也不可能达到1620℃的高温限值。

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高温气冷堆示范电站球形燃料元件示意图

除了燃料球的保障,在设计理念上,高温气冷堆采用模块式设计。相比于大型压水堆,高温气冷堆每一个小模块都可以采用很低的功率密度(约为大型压水堆核电站的1/30)。因此,反应堆停堆后产生的余热处于较低水平,意味着发生任何意外时,即使不进行人为干预,反应堆也能自动停堆并将余热安全地散发出去,避免堆芯熔化。

高温多用途。相较于压水堆主蒸汽温度284℃、压力6.8MPa,高温气冷堆主蒸汽品质更高,其温度为571℃,压力为14.1MPa。经过蒸汽转换设备可以提供该温度压力以下各种参数的工艺蒸汽,因此除了常规发电外,高温气冷堆还可应用于石油精炼、稠油热采、页岩油提炼、合成氨及化肥生产、乙烯和甲醇合成、海水淡化、煤化工以及制氢等诸多领域中,市场前景广阔。

模块化。高温气冷堆采用模块化设计,示范工程采用两堆带一机,发电功率20万千瓦。在后续推广中,通过多模块灵活组合的方式,可建设20万、40万、60万、80万、100万等系列装机容量的核电机组以适应不同地区用户的需求。

石岛湾高温气冷堆核电站建设历程

据华能集团介绍,目前,示范工程机组各项运行指标正常,反应堆、汽轮发电机及相关系统设备运行稳定,1号反应堆正稳步向单堆满功率推进,2号反应堆并网发电前各项试验有序开展。双堆有望于2022年年中全面投入商运。

未来,石岛湾核电站的满功率运行将带来每年14亿度的发电量,可以为200万居民提供生活用电,减少二氧化碳排放90万吨。核能发电过程中产生的高温蒸汽还能用于热电联产、稠油热采、化工、冶金等领域,为“双碳”战略实施和生态环境保护治理贡献更多绿色力量。


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