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輕水堆前沿技術(shù)和中國核電對鈾資源需求
李玉崙  張育曼  彭士祿
中核集團(tuán) 清華大學(xué) 中核集團(tuán)
2006.3.  北京

提綱
1. 引言
2. 規(guī)劃的核電裝機(jī)容量對天然鈾的需求量
3. 鈾資源利用率與轉(zhuǎn)換比/增殖比正相關(guān)
4. 超臨界水堆——輕水堆前沿技術(shù)
5. 超臨界水堆在中國的現(xiàn)實(shí)性
6. 超臨界水堆和節(jié)省鈾資源
7. 結(jié)論

1. 引言

• 鈾資源是核電規(guī)劃的重要基礎(chǔ)
• 到2005年底，中國商業(yè)運(yùn)行核電機(jī)組裝機(jī)容量為6998MWe，占全國總裝機(jī)量1.4％，在建核電機(jī)組裝機(jī)容量為2120MWe
• 核電規(guī)劃目標(biāo)：到2020年中國核電要達(dá)到建成商業(yè)運(yùn)行機(jī)組裝機(jī)容量40,000MWe，在建機(jī)組裝機(jī)容量18,000MWe，這是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)
• 超臨界水堆是輕水堆的前沿技術(shù)，第4代核電的一個(gè)發(fā)展方向
• 超臨界水堆在中國是最現(xiàn)實(shí)的，也有利于節(jié)省鈾資源

2. 規(guī)劃的核電裝機(jī)容量對天然鈾的需求量
      2.1 已有和已批準(zhǔn)開工核電機(jī)組
      表1  商業(yè)運(yùn)行和在建核電機(jī)組

表2  新開工建設(shè)核電機(jī)組

2.2  規(guī)劃的裝機(jī)容量
• 根據(jù)規(guī)劃目標(biāo)，國家已批準(zhǔn)開工建設(shè)的核電項(xiàng)目
– 嶺澳二期工程          2×1000MWe PWR  2005.12
– 秦山二期擴(kuò)建工程  2×650MWe   PWR  2006.03
• 到2015年前，必須有28×1000MWe機(jī)組開工建設(shè)，才能在2020年建成40,000MWe機(jī)組
• 在2015-2020期間，還應(yīng)再開工建設(shè)18×1000MWe機(jī)組
• 到2025年，總共將有58GWe核電機(jī)組運(yùn)行
• 按上述設(shè)想，核電裝機(jī)容量增長趨勢表示在圖1上
• 2020年，中國電力總裝機(jī)將達(dá)900GWe[1]
• GDP增長必須降低能耗，假定2020年后，每年新增30GWe，到2040年，全國總裝機(jī)1500GWe
• 在此基礎(chǔ)上，假定核電增長2個(gè)方案，也表示在 圖1上
• 案1.  2025-2040維持在2025年的核電比例5.5％     核電應(yīng)有83GWe（圖中虛線）
• 案2.  在2040年，核電比例達(dá)8％     核電應(yīng)有120GWe

• PWR是中國核電的主流堆型
• 批量建設(shè)核電機(jī)組的可能方式
– 翻版＋改進(jìn)
– 引進(jìn)第三代核電技術(shù)
– 開發(fā)有中國特點(diǎn)的PWR
• 無論采用何種方式，新建機(jī)組應(yīng)當(dāng)
– 經(jīng)濟(jì)性明顯改善，造價(jià)和運(yùn)行成本降低
– 安全性有所提高
– 堆的性能有所改進(jìn)
– 有利于可持續(xù)發(fā)展
2.3  天然鈾需求量

3. 鈾資源利用率與轉(zhuǎn)換比/增殖比正相關(guān)
鈾資源利用率、堆型、后處理（U.Pu回收利用）、天然鈾價(jià)格之間的關(guān)聯(lián)表示于下圖

《Die Zukunft der Stromversorgung》P.87, 1992

• 相對的鈾資源利用率對轉(zhuǎn)換比/增殖比靈敏且正相關(guān)
• 輕水堆技術(shù)發(fā)展，燃耗增加，轉(zhuǎn)換比提高，快堆相對輕水堆燃料利用率的提高倍數(shù)已大大降低（用在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)的合金燃料高增殖的快堆與七、八十年代設(shè)計(jì)的壓水堆比較，夸大了提高鈾資源利用率的倍數(shù)）
• 高轉(zhuǎn)換堆的使用能使裂變材料利用得到明顯提高
• 后處理是不可忽視的，后處理技術(shù)（工藝流程）與堆技術(shù)相匹配
• MOX原本為快堆開發(fā)，但首先在熱堆內(nèi)使用
• 由于經(jīng)濟(jì)、技術(shù)原因，主要核電國家快堆計(jì)劃都一再推遲
4. 超臨界水堆——輕水堆前沿技術(shù)
 4.1  輕水堆技術(shù)發(fā)展歷程

4.2  輕水堆發(fā)展趨勢

• 安全性方面  堆芯安全裕量  冷卻劑裝量
        簡易性和寬容性  安全殼
• 可靠性和經(jīng)濟(jì)性  燃料利用的經(jīng)濟(jì)性和靈活性
       可利用率  建設(shè)周期（模塊化）
       電廠使用壽期
       燃料的充分利用（高轉(zhuǎn)換比）
4.3  進(jìn)一步發(fā)展的輕水堆概念
• 目前受到較多關(guān)注的輕水堆概念
– 一體化主系統(tǒng)反應(yīng)堆（IPS）
– 簡化沸水堆（SBWR）
– 壓力管反應(yīng)堆（PTR）
– 超臨界水反應(yīng)堆（SCWR）
– 高轉(zhuǎn)換比水堆（HCR）
– 球床燃料水堆（HCR）
– 與燃料循環(huán)相關(guān)的先進(jìn)水堆（Th-U，Pu-Ma）

• 作為探討，上述堆型都是前沿，我們看好超臨界水堆
4.4  超臨界水堆——輕水堆前沿技術(shù)
     4.4.1 GIF選擇了6種堆型概念作為
       第4代核能系統(tǒng)優(yōu)先開發(fā)目標(biāo)
– 氣冷快堆
– 鉛冷快堆
– 納冷快堆
– 熔鹽堆
– 超臨界水堆
– 超高溫氣冷堆
• 所選6個(gè)堆型，4個(gè)堆型可增殖燃料
• 最有可能要求建設(shè)原型或示范超臨界水堆
4.4.2  超臨界水堆
• 超臨界工況下水冷卻劑
– 水的臨界點(diǎn)壓力22.12MPa，溫度374.3℃
– 運(yùn)行壓力超過臨界壓力，水呈單一介質(zhì)，不發(fā)生相變
• 進(jìn)出口冷卻劑熱焓差遠(yuǎn)大于現(xiàn)有水堆，低流量滿足載熱要求，進(jìn)口280 ℃和出口540 ℃就可全自然循環(huán)
• 最大限度簡化了反應(yīng)堆配置，不需要蒸汽發(fā)生器、主泵、穩(wěn)壓器、汽水分離器和干燥器，是最簡單的一體化反應(yīng)堆
• 安全殼尺寸很小
• BOP配置規(guī)模小
• 能最大限度利用現(xiàn)有輕水堆和超臨界火電廠的成熟技術(shù)

超臨界水堆，最簡單的一體化水堆

此圖摘自Mujid S,Kazimi《Advanced Water Cooled Reactor Energy System》

此圖摘自Dr.Jocopo Buongiorno(INEEL)《The Gen4 Roadmap》

此圖摘自Mujid S,Kazimi《Advanced Water Cooled Reactor Energy System》

4.4.3  超臨界水堆的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)
• 技術(shù)特點(diǎn)
– 綜合利用輕水堆和超臨界/超超臨界火電廠的成熟技術(shù)
– 堆芯中子能譜可靈活設(shè)計(jì)，既可設(shè)計(jì)熱堆，也可是快堆
• 經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)
– 熱效率高，可達(dá)44％（水堆目前～33％），省鈾，系統(tǒng)和設(shè)備簡化，降低建造和運(yùn)行成本
4.4.4  主要的R&D
• 堆芯設(shè)計(jì)
• 堆芯材料
• 安全性分析
• 穩(wěn)定性和控制
5. 超臨界水堆在中國的現(xiàn)實(shí)性
• 世界核能界普遍認(rèn)為第4代核能系統(tǒng)（包括反應(yīng)堆和燃料循環(huán)）的研發(fā)目標(biāo)是：經(jīng)濟(jì)性、可持續(xù)性、安全性、防止核擴(kuò)散和實(shí)體保護(hù)
• 核電業(yè)主和消費(fèi)者最關(guān)心的是：經(jīng)濟(jì)性明顯改善，高放廢物永久貯存得到合理和可靠的解決，加之油價(jià)持續(xù)攀升不降，是刺激建設(shè)新核電機(jī)組的主要因素。但世界范圍內(nèi)規(guī)模建設(shè)新核電機(jī)組是在2015-2020年以后
• 在2020年以后，中國即使要保持2020年核電所占比例，仍需批量建設(shè)新機(jī)組。根據(jù)新堆型開發(fā)的成熟性，決定建什么堆型的核電機(jī)組
• 超臨界水堆的技術(shù)基礎(chǔ)源于輕水堆和超臨界（超超臨界）火電機(jī)組，在中國研發(fā)超臨界水堆最具現(xiàn)實(shí)性：
• 超臨界水堆是輕水堆的進(jìn)一步發(fā)展，而壓水堆是迄今和今后中國核電發(fā)展的主導(dǎo)堆型。在已有壓水堆技術(shù)和相應(yīng)的配套研發(fā)設(shè)施、設(shè)備制造能力基礎(chǔ)上研發(fā)超臨界水堆，能與成熟的壓水堆技術(shù)很好地銜接
• 超臨界火電機(jī)組在世界范圍內(nèi)包括在中國的應(yīng)用都已是成熟技術(shù)，超臨界水堆機(jī)組的常規(guī)島易與之結(jié)合。它還可以借鑒超臨界火電機(jī)組耐高溫材料和水處理控制技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)
• 超臨界工況使輕水堆的系統(tǒng)和設(shè)備大大簡化，繼而核電站的造價(jià)和運(yùn)行成本大為降低，經(jīng)濟(jì)性明顯改善
• 冷卻劑平均密度較低，可以靈活設(shè)計(jì)堆芯中子能譜，超臨界水堆不僅能設(shè)計(jì)成熱堆，也能設(shè)計(jì)成快堆，意味著在超臨界水堆內(nèi)提高燃料利用率的潛力
• 超臨界水堆設(shè)計(jì)目標(biāo)使熱效率高、發(fā)電成本低，熱效率可達(dá)44％（介于超高溫氣冷堆和納冷快堆之間），與輕水堆相比，更利于有效利用和節(jié)省鈾資源，有利于核電可持續(xù)發(fā)展
6. 超臨界水堆和節(jié)省鈾資源
• 人們預(yù)期的2020年中國核電規(guī)劃目標(biāo)對鈾資源的需求已相當(dāng)可觀。中國核電發(fā)展的歷程表明，很難對長期發(fā)展作出較準(zhǔn)確預(yù)測。但是，中國大規(guī)模發(fā)展核電，鈾資源將是最主要制約因素之一，應(yīng)備受關(guān)注。按本文2.2內(nèi)的保守預(yù)測，在2020-2040年內(nèi)，保持中國核電適度發(fā)展還要再建62臺百萬千瓦機(jī)組，所需支持的鈾資源量已表示在圖2內(nèi)
• 當(dāng)核電機(jī)組的裝機(jī)容量確定后，鈾的年需求量和機(jī)組熱效率成反比。如果從2020年開始逐步批量建設(shè)超臨界水堆，到2040年建成62臺百萬千瓦級機(jī)組，則在2040年，與輕水堆相比，天然鈾年需求量將減少3134噸，在全壽期內(nèi)天然鈾需求總量將減少188065噸
• 相應(yīng)地，分離功年需求量將減少2056噸SWU，分離功總需求量將減少123381噸SWU
• 當(dāng)然，燃料組件制造量和乏燃料產(chǎn)生量也都相應(yīng)地有明顯減少
• 如果超臨界水堆設(shè)計(jì)成快堆，鈾資源的可利用率會進(jìn)一步大大提高，可能是中國實(shí)現(xiàn)核燃料增殖的捷徑
* 到目前為止，尚未見到在2040年商用快堆批量建造的可信前景，涉及快堆及其燃料循環(huán)的問題不在此討論
7. 結(jié)論
• 按中國核電規(guī)劃目標(biāo)，在2025年天然鈾年需求量為10616噸，在全壽期內(nèi)總需求量達(dá)641867噸（均按鈾重量計(jì)）。穩(wěn)定可靠的鈾資源供應(yīng)是中國核電可持續(xù)發(fā)展的最重要因素
• 應(yīng)該合理有效地利用中國有限的鈾資源，在中國條件下將鈾資源用于產(chǎn)生高參數(shù)熱能去發(fā)電最為合理
• 在可預(yù)見的未來，中國發(fā)展超臨界水堆是有效利用和節(jié)約鈾資源最現(xiàn)實(shí)的途徑，超臨界水堆可能成為支持中國核電可持續(xù)發(fā)展的重要堆型。