雷奕安
高温气冷堆的考验刚刚开始
2024-3-20 11:10
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高温气冷堆是核能发展历史上很早就很重视的一种堆型。华能与清华合作开发的石岛湾电站高温气冷堆项目,技术路线继承于前西德于里希研究中心(Jülich Research Centre)的AVR反应堆以及在其研究基础上建造的第一座商业示范堆THTR-300。

我在2015年曾对模块式球床高温气冷堆(HTR-PM)的发展提出过疑虑。该项目是16项重大科技专项之一,当时的计划是在2017年建成,并迅速推广。

石岛湾高温气冷堆于2021年9月实现首次临界,2023年12月正式并网,开始商业运营。根据新华社报道,该项目总投资约1000亿人民币。

我当时的疑虑是,球床高温气冷堆并不是一个成功的堆型,前人的实践都是失败的,而模块式高温气冷堆并没有原则性的改进,有些新的设计需要更多的验证。

到目前为止,虽然经过比较长时间的延误,但是毕竟正式并网运行了,其中一定有很多困难,能做到目前的成就已经非常不容易了。项目及团队也获得了很高的荣誉。

虽然反应堆已经经过了超过两年的调试,但是以石墨为主要构件的反应堆需要更长的运行时间,问题才会暴露出来。所以,反应堆的正式并网运行,才是验证的开始。

与石岛湾高温气冷堆类似,THTR-300于1983年9月实现首次临界,也是两年之后的1985年11月才正式并网发电。由于各种问题,THTR-300在1989年9月被关闭。从正式并网发电开始,4年时间总共运行了16410小时,即不到684天,折合满功率运行423天,期间发生了80次各种事件。

石岛湾高温气冷堆在正式并网运行前,已经发电3亿度,相当于满功率运行不到60天。

高温气冷堆构件的主要材料是石墨。石墨在反应堆运行时,将受到强烈的辐照。辐照条件下,石墨的体积,力学性能,导电导热性,等各种材料性质都会发生变化。受到的辐照越多,变化越大。这些性能变化的后果很难说,而不累积足够的辐照量,又很难发现这些变化对材料性能的影响。性能明显变化所需的辐照量,只有在反应堆正式运行之后才会累积到。所以,前期的实验很难做出验证。

石墨在受到反应堆中子辐照量达到在10^21次每平方厘米量级,性能才会发生明显变化。HTR-PM和THTR-300堆内中子通量都是5-10x10^13次每平方厘米每秒,以5x10^13计算,需要2*10^7秒,也就是231天,就可以达到破坏性辐照量。这只是量级估算,所以几百天都有可能,也与THTR-300的423天满功率运行时间符合。

如果燃料球设计没有重大变化,考虑到HTR-PM的燃料堆高为9米,而THTR-300为7米,也就是说HTR-PM底部燃料球受到的压力更大,可能需要的累积辐照量比THTR-300还低,HTR-PM的燃料球就会破损。因此,HTR-PM满功率运行300-400天,将是一个重要节点。如果燃料球大量破损,堆型就失败了。THTR-300破球上万,只能关闭。

为了反应堆长期运行,或者推迟出问题的时间,当然也可以长时间低功率运行,但这就没有意义了。

如果不降功率,满功率300天应该发生在2024年8月份,但目前虽然刚刚正式并网发电,却从1月中旬起,已经以极低功率运行了超过两个月,不知道发生了什么问题。

其实即使HTR-PM挨过了这一道坎,由于辐照损伤的累积性,这一挑战一直存在。毕竟根据设计,一个燃料球在反应堆中运行的时间在1000天左右。所以,至少要一个燃料球周期之后,并且不考虑燃料球流动可能发生的问题,燃料球这关才算通过。然后就是堆里的其它石墨构件了。THTR-300就发生过石墨螺栓断裂,难以处理的事件。

考虑到全周期的成本,HTR-PM的经济性应该是很差的。毕竟能量密度低,装置还复杂脆弱。

上面说的内容,对于高温气冷堆业界专家,应该是常识。以前发现的问题应该已经得到解决和验证,才能上马示范电站。希望我的担心是多余的。

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