雷奕安
高温气冷堆问题总结
2015-8-21 11:31
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标签:安全, 核能, 高温气冷堆

上一篇太长太技术了,总结如下,有些是新列的。

这里列的也还有一些存疑,有请业内专家继续指正。

高温气冷堆问题总结

雷奕安,北京大学物理学院

第一,我国高温气冷堆(HTR-PM)的技术前身,德国AVR,已经自己公开承认失败。高温气冷堆堆型(HTR-MODUL)全世界只有中国建过一个小型实验堆(HTR-10),该堆电功率只有0.2万千瓦,是目前主力在建堆型功率的500分之一,高温气冷堆示范堆的100分之一。没有任何其它国家建过,在建,或者要建这一堆型。堆型大量全新成套设备,缺乏实际运营经验,需要时间验证和成熟。

第二,商业示范堆的定义就是建应用大小堆,验证技术之后,才推广。但示范堆还没有建成,中核建等就计划在湖南、江西、广东、福建、山东、湖北、浙江等地建更大的堆。不符合最基本的程序,极不负责。

第三,高温气冷堆的固有安全性主张没有实验支持,因为商用规模的堆还不存在。而在HTR-10上做过的验证实验有缺陷。实验条件设计得太友好。在最重要的失去冷却实验中,没有按照这类实验的要求先满负荷运行100小时以上,冷却风机衰减太慢。

第四,该堆型安全性计算有缺陷。高压失冷上部受热严重,热回流导致压力容器受热。低压失冷还没有考虑氦气传热。没有看到上部受热分析。进水安全性分析没有公开资料。

第五,AVR相比,HTR-MODUL控制棒在堆芯外部,一旦堆芯因进水等造成中子漏失率下降,反应性大增,控制能力较弱;堆芯失去冷却后变成一段热盲肠,上部受热严重;堆芯很高,燃料球完整受到威胁,流动无法控制。

第六,燃料球完整性保持,一回路放射性释放,石墨粉尘效应,AVR结论负面,有待实验验证。石墨球强度并不高。一个模组42万颗燃料球,一旦一颗破损,将严重影响其它燃料球的完整性。

第七、反应堆进水后果严重。进水导致排放氦气及高温可燃气体,侵蚀石墨结构,大大增加反应性,可以引发重大核事故。正反应性的存在是所有裂变反应堆的大敌。高温气冷堆进水带来四重正反应性:1、传热介质热容增大,温度下降;2、水煤反应降低传热介质和石墨慢化剂温度;3、水的慢化能力远高于石墨,滞留在堆芯的中子增加;4、水使中子谱更软(冷)。如果进水量不大,这四重正反应性不严重,需要燃料核迅速升温产生负反应性抵消。燃料核的迅速升温破坏燃料球的完整性,引起大量燃料球破裂。破裂的燃料球进入未破裂燃料球间隙,增加密实度,堆芯滞留中子更多,产生第五重正反应性。这种事故在THTR-300上发生过,当时18000个燃料球破裂,离恶性事故只有一步之遥。

第八、石墨慢化距离长,高温气冷堆堆芯尺寸小,导致漏失中子多,铀资源利用率低,并提高厂房放射性,降低压力容器及周边设备的运行寿命。

第九,高温气冷堆的乏燃料后处理非常困难。乏燃料存放量远高于水堆。

第十,高温气冷堆燃料铀235富集度很高,可以被用来制成脏原子弹。

第十一,燃料球铀占重量比小,脆弱,需一颗一颗保护,导致燃料及乏燃料运输量比水堆高几十倍。

第十二,与水堆相比,燃料球数量巨大,无法标记,跟踪管理困难。

第十三,模组式高温气冷堆的单厂房多堆结构增大了事故概率,提高了成本。

第十四,堆芯不同燃耗燃料球混用,导致局部温度不均匀,造成不利传热的流体力学不稳定性。热的地方更热,冷的地方更冷,形成局部高温点,导致放射性释放。另有专业人士指出,燃料球在堆中的流动无法控制。高燃耗燃料球带来较大负反应性,无法挑出。

第十五,堆型能量密度低,内部结构体积庞大,压力容器必须相应增大增厚。压力容器成本很高,越大越厚,缺陷概率也越大。对于一百万千瓦的核电厂,压水堆只需要一个堆芯压力容器(小一些,厚一倍以上),但是高温气冷堆需要十个。

第十六,融堆是水堆最大的事故,比融堆更大的事故是超临界爆炸。水堆几乎不可能发生超临界爆炸,但是石墨堆特殊情况下会。

第十七,堆芯功率密度低、热容大是双刃剑,虽然可以提供大热容,但是慢化剂升温慢,对其它原因引起的反应性增加反应迟钝,造成堆芯较长时间高功率运行,燃料核温度过高。

第十八,高温运行也有缺点。因为堆芯负反应性余量的很大一部分来自燃料中U238共振吸收的多普勒效应,温度越高,负反应性余量越小,随温度变化的系数也越低。高温运行的另一大问题是对材料高温性能的要求大大提高,这个问题不好解决。

第十九,THTR-300(钍燃料球床高温气冷堆)是球床概念的第一座商用示范堆,30万千瓦电功率,85年开始发电,运行423天后因为燃料球破损释放放射性,及其它安全性担心,1989年被西德政府强行关闭。由于残留放射性很大,清理退役预计到2080年才能完成。

第二十,TRISO燃料核紧贴铀燃料是一层不太薄的多孔碳层,该层导热不好,使燃料工作温度较大幅度地高于燃料球石墨基底的温度,进一步削减多普勒效应负反应性余量,并造成燃料球内局部高温点。

第二十一,石墨是很糟糕的结构材料,韧性延展性都很差,不能焊,不能铆,部件之间的连接就是大问题。高温气冷堆压力容器高温区,结构负荷并不小,石墨作为唯一的结构材料,能否在长达四十年的服役期内正常工作,在示范堆建设成功之前,没有办法验证。

第二十二,冷却剂氦的摩尔热容低,换热差。为了保证换热能力,只能提高一回路压强。大体积的压力容器,潜在的过热危险(因为堆芯存在超高温),很大的压强(70大气压),是一个非常糟糕的组合。

存疑,需继续调查:

底部石墨磨损;上部结构;纵向燃料柱密实率变化(导致不同深度反应性不同,风阻不一样,增大总风阻);风阻导致底部受压更大;250度与750度氦气密度差近一倍,风机反向做功,风阻,风机功率(氦比二氧化碳好的原因);电厂自用电系数,经济性;南非球床高温堆教训;地震引起的密实度上升和结构考验;铀235,钚239,钚241 低裂变率(76%,41%,59%)

其它:

高温气冷堆是第四代核能技术的说法值得商榷。认为HTR-MODUL还没有成功先例,第一个建成的只能算第一代。实际上世界上第一座民用反应堆是第四代!

堆芯不会融化不等于没有危险,破坏压力容器只需要500度。压力容器坏了,只能直接废堆,处理费用巨大,极度危险。

说明:我不反核,但认为要尽可能保证安全。我也知道安全不是绝对的。我没有什么背景,没有什么背后势力。我就是喜欢挑别人的错(情商低下的表现)。今年我发的博文都是挑错的,三次,没有关联或利益关系。这次的引子是新闻中的高温气冷堆大跃进计划,示范堆尚未建成的情况下,这无论如何都是错的。

技术方面,我说错了,请指正。我不在乎被打脸。说得有道理,也请业内人士不要情绪化,表达清楚自己的看法就可以了。核安全是很大的事情,超过任何人的脸面和利益。

以前有些话语气太重了,跟发文之后受到攻击有关,也与没有专业人士指出我的错误有关。还是不应该。尽量改了。


关于拥核反核:

发文之后,我成了反核的,“无知无耻”的“X杂”,“理科公知”。呵呵,我很委屈的,因为在福岛事件刚发生不久,我还是敢冒天下大不韪的,公开拥核的“无知无耻”“X杂,理科公知”,公然发文拥核。后来发现,除煤与核之外,还是存在别的更佳选择,但是核能还是很重要(见拙著第九章)。至于这次,并不是针对核能,或者高温气冷堆,而是针对示范堆未建成,就建更大新堆的不负责任做法。挑高温气冷堆的错,是为了说明该做法的错误。而且我挑错,总体而言,应该是有助于改善高温气冷堆的安全性,因为我挑的很多错还是成立的,有些甚至很严重。请核能界人士,特别是高温气冷堆研究人员不要过度解读。

相关专题:纪念切尔诺贝利30周年

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