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中國大陸全球首座第四代核電廠-高溫氣冷堆正式商轉
2023/12/07 03:47
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中國大陸全球首座第四代核電廠-高溫氣冷堆正式商轉

 

一、全球首座第四代核電廠-高溫氣冷堆在山東榮成正式商轉 

   12月6日,中國大陸具有完全智慧財產權的山東榮成石島灣高溫氣冷堆核電廠商業示範工程在完成168小時連續運轉考驗後,正式投入商轉,標誌著中國在第四代核電技術研發和應用領域達到世界領先水準。山東榮成石島灣高溫氣冷堆示範工程是中國科技重大專案的標誌性成果,於2012年12月正式動工,由中國華能、清華大學、中核集團共同興建。2021年12月,此示範工程首次併網發電。該工程集結設計研發、製造、營運等產業鏈上下游500餘家單位,先後攻克多項關鍵技術,設備國產化率達93.4%。該工程的投產,對促進核電安全發展、提升中國核電科技創新能力水準具有重要意義。藉著該工程,中國掌握了高溫氣冷堆設計、製造、建設、調試、運維技術,中國華能和清華大學共同研發了高溫氣冷堆特有的調試運行六大關鍵核心技術,培養了一批具備高溫氣冷堆建設與維運管理經驗的高素質專業人才隊伍,形成了一套可複製、可推廣的標準化管理體系,並建立起以專利、技術標準、軟體著作權為核心的自主智慧財產權體系。高溫氣冷器是國際公認的第四代核電技術,是世界核電未來發展的重要方向,具有“固有安全性”,即在喪失所有冷卻能力情況下,不採取任何干預措施,反應器都能保持安全狀態,不會出現核心熔毀和放射性物質外洩。高溫氣冷堆所具有的固有安全性、發電效率高、應用領域廣等優良性能,使其在發電、熱電冷聯產及高溫供熱應用等領域商業化應用前景廣闊。 

   高溫氣冷堆具有本質安全、模塊化設計建造和多用途等特性,中國發展高溫氣冷堆核電站的戰略意義包刮(1)爭取率先掌握四代核電技術,領先世界水平(2)加快核電設備國產化(3)奠定核能製氫技術,配合未來氫經濟時代的到來。(4)拓展國內外核電市場(5)建立產學研究與實用結合,(6)加強國家能源安全。在中國“863”國家計劃支持下,清華大學10兆瓦高溫氣冷實驗堆(HTR-10)於1995年6月14日正式動工,2000年12月順利建成並達到臨界,2003年1月7日並網發電,成為世界第一座投入運行的模塊式球床高溫氣冷實驗堆。通過高溫氣冷實驗堆(HTR-10)的設計、建造、臨界運行和並網發電,中國掌握了高溫氣冷堆燃料元件製造、燃料元件裝卸系統和數字化控制保護系統等核心技術,同時形成了這種新型反應堆研發、設計、加工、建造的技術集成系統,並累積了許多寶貴經驗。高溫氣冷堆有六大優點(1)讓中國擁有自主先進核電知識產權。(2)具有本質安全性和非能動安全性,即使喪失爐心冷卻系統也能安全停機。(3) 採用球形燃料元件,不用大修停機更換鈾燃料,機組可用率高。(4)系統簡單,發電效率可達40%以上。(5) 堆芯出口氦氣溫度可達700-950攝氏度,除發電,還可廣泛應用於製氫等領域。(6)模塊化設計,節省工期成本的優點。高溫氣冷堆採用包覆顆粒燃料(TRISO)構成的“全陶瓷型”球形燃料元件,它具有在不高於1620℃的高溫下阻留放射性裂變產物釋放的能力。採用單區球床堆芯設計,球形燃料元件自上向下流動。堆芯設計保證在任何運行工況和事故情況下,燃料元件最高溫度不超過其安全限值1620℃。反應堆堆芯周圍全部由石墨和碳磚材料構成,該區域內沒有金屬部件,使堆芯結構部件能承受高溫。反應堆堆芯和蒸汽發生器分別設置在兩個殼體內,並由熱氣導管殼體相連接,構成一迴路壓力邊界。三個殼體組成的壓力邊界均通以冷氦氣進行冷卻,使殼體不承受高溫。反應堆壓力容器、蒸汽發生器殼體和連接二者的熱氣導管殼體,均包容在混凝土結構的一迴路艙室內,一迴路艙室具有“包容性”功能,是阻止放射性釋放的第三道安全屏障。 

二、世界首座中國製絕對安全的高溫氣冷堆核已發電而台灣卻廢核 

    由於高溫氣冷堆安全性高,功率較小,適合許多開發中國家使用,未來商機很大。台灣廢核不但自斷研發科技創新之路,並將進入缺電、漲電價及無法抑減二氧化碳排放的噩夢。公投結果掩蓋了科學真相,其造成電力不足、減碳無力及能源安全危機將由國人自己承擔。台灣去年生產的可再生能源發電配比不足10%,預估到2025年無法達到蔡政府能源政策規劃的20%,即使達到20%,剩下的50%天然氣及30%的燃煤發電都會排放二氧化碳,無法達到碳中和世界目標。台灣的能源政策面臨到缺電、限電、漲價、空污及破壞藻礁生態諸多問題,政府還要面對巴黎協定有關溫室氣體減量目標的難題,廢除不排放二氧化碳的核電,無論天然氣或燃煤都將排放二氧化碳,而若廢核電,不穩定的風力及太陽能還是需靠化石燃料補助電力系統,根本做不到碳減量。美國總統拜登上台後重返巴黎協定,並將全球變暖列為政府活動所有領域的頭等大事,並誓言要在2035年之前使美國電力系統100%不含二氧化碳。專家說如果沒有核能,拜登的綠化努力注定是一場災難,台灣也是一樣。大規模核電的唯一可替代方案是擴大風能和太陽能到達總發電量的80%或更多,其他能源如水力,地熱,生質能都無法達到發電量配比20%以上。而且需要龐大的基礎設施來支持對風能和太陽能的嚴重依賴,而風能和太陽能是間斷的且耗費大面積土地的能源。   

   使用高溫氣冷堆滿足工業部門的能源需求且能夠帶來五點益處,一是幫助降低碳排放:核能是目前可供使用的全生命週期碳排放量最低的能源技術之一;使用高溫氣冷堆為工業部門提供能源,能夠大幅減少化石燃料的使用,進而降低碳排放。二是提供高溫能以商業規模廣泛滿足工業部門的能源需求。三是保障能源供應的可靠性和靈活性:與傳統核電廠一樣,高溫氣冷堆不僅能夠長時間穩定運行,還能夠根據外部能源需求調整運行功率。如果進行專門設計,高溫氣冷堆能提供三種產品,即熱量、電力和儲能產品,並能夠在運行期間靈活地在這三種產品之間進行切換。四是確保供應安全性:雖然從鈾礦生產天然鈾,並製成鈾-235豐度超過5%的濃縮鈾燃料需要建設相應的基礎設施,但是目前全球有充足的鈾資源可供使用;鑑於鈾的供應相對穩定且燃料費用在總運行成本中所佔比例相對較低,高溫氣冷堆的運行成本相對穩定,不易受國際局勢的影響,有助於其持續穩定運行。五是部署靈活:高溫氣冷堆佔地面積遠小於傳統核電廠,且不需要使用水作為冷卻劑,對廠址的要求相對較低,可以在更廣泛的地區部署。使用高溫氣冷堆滿足工業部門能源需求,除了需要繼續推進高溫氣冷堆的技術研發,使其儘早實現商業化之外,國際能源署認為需要在下述五個方面開展工作。一是就高溫氣冷堆與相關工業流程的配套運行展開針對性研究和示範。二是與各行業人員和廣泛的干係人進行溝通和合作。三是製定和協調相關監管程序。四是適時建立高豐度低濃鈾(即鈾-235豐度在5%~20%之間的濃縮鈾)燃料供應鏈。五是政府應致力於實施碳減排政策並提供可預測且有效的激勵方案。            

三、高溫氣冷堆的燃料技術及願景

 

    高溫氣冷堆具有本質安全、模塊化設計建造和多用途等特性,被認為是最有前途的第四代反應器。高溫氣冷堆核電站示範工程六大戰略意義。(1)爭取率先掌握四代核電技術,領先世界水平。(2)加快核電設備國產化,掌握先進核電技術商機。(3)奠定核能製氫的技術基礎,配合未來氫經濟時代的到來。700℃-1000℃的高溫工制氫是最有可能實現的大規模經濟制氫的途徑之一。(4)拓展國內外核電市場。由於高溫氣冷堆固有安全性好、市場適應性強的優點,擁有一定的市場前景,還可以逐步向國外市場推廣。(5)建立產學研究與實用結合,推動科學技術產業化。(6)加強國家能源安全。在中國“863”國家計劃支持下,清華大學10兆瓦高溫氣冷實驗堆(HTR-10)於1995年6月14日正式動工,2000年12月順利建成並達到臨界,2003年1月7日並網發電,成為世界第一座投入運行的模塊式球床高溫氣冷實驗堆。通過高溫氣冷實驗堆(HTR-10)的設計、建造、臨界運行和並網發電,中國掌握了高溫氣冷堆燃料元件製造、燃料元件裝卸系統和數字化控制保護系統等核心技術,同時形成了這種新型反應堆研發、設計、加工、建造的技術集成系統,並累積了許多寶貴經驗。高溫氣冷堆有六大優點(1)讓中國擁有自主先進核電知識產權。(2)具有本質安全性和非能動安全性,即使喪失爐心冷卻系統也能安全停機。(3) 採用球形燃料元件,不用大修停機更換鈾燃料,機組可用率高。(4)系統簡單,發電效率可達40%以上。(5) 堆芯出口氦氣溫度可達700-950攝氏度,除發電,還可廣泛應用於製氫等領域。(6)模塊化設計,節省工期成本的優點。

     高溫氣冷堆採用包覆顆粒燃料(TRISO)構成的“全陶瓷型”球形燃料元件,它具有在不高於1620℃的高溫下阻留放射性裂變產物釋放的能力。採用單區球床堆芯設計,球形燃料元件自上向下流動。堆芯設計保證在任何運行工況和事故情況下,燃料元件最高溫度不超過其安全限值1620℃。反應堆堆芯周圍全部由石墨和碳磚材料構成,該區域內沒有金屬部件,使堆芯結構部件能承受高溫。反應堆堆芯和蒸汽發生器分別設置在兩個殼體內,並由熱氣導管殼體相連接,構成一迴路壓力邊界。三個殼體組成的壓力邊界均通以冷氦氣進行冷卻,使殼體不承受高溫。反應堆壓力容器、蒸汽發生器殼體和連接二者的熱氣導管殼體,均包容在混凝土結構的一迴路艙室內,一迴路艙室具有“包容性”功能,是阻止放射性釋放的第三道安全屏障。

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