第四代核能系统的特点及其热力循环

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1、第四代核能系统的特点及其热力循环 第四代核能系统的特点 第四代核反应堆技术有别于第三代先进反应堆。它在拓宽核能和平利用空间，提高核安全性、经济性等方面提出了一系列更加新颖的规划设想，包括更合理的核燃料循环、减少核废物、防止核扩散以及消除严重事故、避免厂外应急等。2002年第四代核能系统国际论坛选择了以下6种技术方案作为第四代核反应堆重点开发对象。1.超临界水冷堆（SCWR）SCWR是在水的热力学临界点以上运行的高温、高压水冷堆。SCWR效率比目前轻水堆高1/3，采用沸水堆的直接循环，简化了系统。在相同输出功率下，由于采用稠密栅格布置以及超临界水的热容大，因此SCWR只有一般轻水堆的一半大小。

2、超临界水冷堆及其系统因为反应堆的冷却剂不发生想变，而且采用直接循环，可以大大简化系统。SCWR参考堆热功率1700MWt，运行压力25MPa，堆芯出口温度510，使用氧化铀燃料。SCWR的非能动安全特性与简化沸水堆相似。SCWR结合了轻水反应堆和超临界燃煤电厂两种成熟技术。由于系统简化和热效率高（近效率达44%），发电成本可望降低30%，SCWR在经济上有很大竞争力。日本提出的热中子谱超临界水堆系统是较为典型的压力容器式反应堆。该方案取消了蒸汽发生器、稳压器和二回路相关系统，整个装置是一个简单的闭式直接循环系统。超临界压力水通过反应堆堆芯加热直接引入汽轮机发电，实现了直接循环，使系统大大简化。

3、系统压力约25.0MPa，反应堆的冷却剂入口温度为280，出口温度为530。装置热功率为2740MW，净效率高达44.4%，可输出1217MW 电功率SCWR待解决的技术问题：材料和结构要耐极高的温度、压力以及堆芯的辐射，这就带来了很多相关问题，涉及腐蚀问题、辐射分解作用和水化学作用以及强度和脆变等问题；SCWR的安全性，涉及非能动安全系统的设计，要克服堆芯再淹没时出现的正反应性；理论上有可能出现密度波以及热工水力学和自然循环相耦合的不稳定性。功率、温度和压力的控制上有很大挑战，例如，给水功率控制，控制棒的温度控制，汽轮机的节流压力控制等。需要研究电站的启动过程，防止启动过程出现失控。2. 超

4、高温气冷堆（VHTR）VHTR是高温低冷对的进一步发展，采用石墨慢化、氦气冷却、铀燃料一次通过的循环方式。其燃料可承受高达1800度高温，冷却出口温度可大1000度以上。VHTR具有良好非能动安全特性，热效率可超过50%，经济上竞争力强。VHTR可以向高温、高耗能和不使用电能的工艺过程提供光谱热量，还可以与发电设备组合以满足热电联产的需要。系统还具有采用铀/钚燃料循环的灵活性，产生的核废料极少。VHTR要从目前的堆芯出口温度850到950度提高到1000到1100度，仍有许多技术上有待解决的问题，在这种超高温下，铯和银迁徙能力的增加可能会使得燃料的碳化硅包覆层不足以限制它们，所以需要进行新的燃

5、料和材料研发，以满足堆芯出口温度可达1000度以上的要求；事故时燃料温度最高可达1800度；最大燃耗可达150到200（GWD/MTHM)。3. 熔盐反应堆（MSR）熔盐反应堆是钠、锆和铀的氟化物液体混合物做燃料的反应堆。氟化物传热性能好，无辐射，与空水、水都不发生剧烈反应。在熔盐中产生的热量通过中间热交换器传给二次侧冷却剂，在通过第三热交换器传给能量转化系统。参考电厂的电功率是百万千瓦级。堆芯出口温度700度，也可达800度，以提高热效率。 熔盐堆及其系统 MSR采用的闭式燃料循环能够获得钚的高燃耗和最少的锕系元素。MSR的液态燃料允许像添加剂一样添加锕系元素，这样就不用燃料的制造和加工。锕

6、系元素和大多数裂变产物在液态冷却剂中形成氟化物，熔融氟化盐具有良好的传热特性和很低的蒸汽压力，这样就降低了对容器和管道的应力。MSR技术上有待解决的问题：锕系元素和镧系元素的溶解性，材料的兼容性，金属的聚变，以及盐的处理、分离和再处理工艺。燃料的开发，腐蚀和脆化研究，氘控制技术的研发，熔盐的化学控制，石墨密封工艺和石墨稳定性改进和试验等。4. 气冷快堆（GFR）堆芯出口氦气冷却剂温度很高，可大850度，氦气汽轮机采用布雷顿直接循环，热效率可达48%。产生的放射性废物极少和有效地利用铀资源是GFR的两大特点。 气冷快堆及其系统 因氦气密度小，传热性能不如钠，要把堆芯产生的热量带出来就必须提高氦气

7、压力，增加冷却剂流量，这就带来许多技术问题。另外氦气冷却快堆热容量小，一旦发生失气事故，堆芯温度上升较快，需要可靠的备用冷却系统。技术上有待解决的问题：用于快中子能谱的燃料、GFR堆芯设计、GFR的安全性研究、新的燃料循环和处理工艺开发、相关材料和高性能氦气轮机的研发。5. 钠冷快堆（SFR）液态钠冷却快堆系统是快中子谱钠冷堆，它采用可有效控制锕系元素及可转换铀的转化的闭式燃料循环。SFR系统主要用于管理高放射性废弃物，尤其在管理钚和其他锕系元素方面。该系统由于具有热响应时间长、冷却剂沸腾的裕度大、一回路系统在接近大气压下运行，并且该回路的放射性钠与电厂的水和蒸汽之间有中间钠系统等特点，因此安

8、全性能好。同铅冷快堆和气冷快堆相比，钠冷快堆优势明显。首先，钠原子质量大，中子碰撞之后质量不损失；第二，钠吸收中子不多，不损耗能量；第三，导热性好，很容易把能量带走，解决了反应堆最怕的过热问题；第四，钠的熔点是98，但沸点高达890。在通常500600的工作环境中不需要加压，安全性高。 钠冷快堆 6.铅冷快堆（LFR）铅合金液态金属冷却快堆(lead-cooled fast reactor, LFR)系统是快中子谱铅（铅/铋共晶）液态金属冷却堆，采用闭式燃料循环，以实现可转换铀的有效转化，并控制锕系元素。燃料是含有可转换铀和超铀元素的金属或氮化物。铅在常压下沸点很高、热传导性能较强、化学活性基

9、本为惰性、中子吸收和慢化截面都很小，铅冷快堆除具有燃料利用率高和热效率高等有点外，还具有很好的固有安全和非能动安全特性。LFR系统的特点是可在一系列电厂额定功率中进行选择，例如LFR系统可以是一个1200兆瓦的大型整体电厂，也可以选择额定功率在300400兆瓦的模块系统与一个换料间隔很长（1520年）的50100兆瓦的电池组的组合。LFR可满足市场上对小电网发电的需求。 铅冷快堆及其系统 第四代核能系统的热力循环核裂变能转化为热能过程在堆内实现，通过反应堆冷却剂系统能够将堆芯核燃料释热传递到热工转化系统，进而实现热能转化为机械能的过程，最后由发电机将机械能转化为电能。其中，热功转化系统的形式取

10、决于所采用的热力循环。对于水冷堆、液态金属冷却堆、采用蒸汽循环的气冷堆，其热功转换系统以水/水蒸气作为循环工质，采用的是蒸汽动力装置的朗肯循环；对于采用直接循环的气冷堆，其热功转换系统以高温气体为循环工质，采用的是燃气的布雷顿循环。1.朗肯循环朗肯循环与卡诺循环的区别在于，水的加热不在定温下进行，如果采用过热蒸汽，在过热区也不是定温条件。朗肯循环的热效率低于相同温限间工作的卡诺循环。 朗肯循环的流程图 朗肯循环的T-S图 如上图，2-3为二回路工质在蒸汽发生器中的定压吸热过程，在一回路冷却剂加热下从不饱和水变成饱和蒸汽；3-4为蒸汽在汽轮机中的绝热膨胀过程，膨胀终了状态4为低压湿蒸汽，即乏汽；

11、4-1为乏汽在冷凝器中的定压（定温）放热过程，被循环水冷却而凝结为饱和水；1-2为凝结水在给水泵中的绝热压缩过程，压力升高，再次进入蒸汽发生器，开始下一个循环。实际上蒸汽在动力装置中的各个过程都是不可逆过程。例如，新蒸汽从蒸汽发生器出口到主汽轮机入口要经过一系列的管道、阀门，流动摩擦和散热使新蒸汽的压力和温度都有降低；蒸汽经过汽轮机时的绝热膨胀过程，由于气流速度很高，气流内部的摩阻损失以及喷嘴内壁与叶片对气流的摩阻损失相当大，使实际过程与理想可逆过程的差别较为显著。因此实际循环与理想循环存在较大差别。压水堆核动力装置多采用饱和蒸汽的朗肯循环，新蒸汽和乏汽的压力与温度是一一对应关系。改变蒸汽参数

12、，则蒸汽的压力和温度同时发生变化。 蒸汽初参数的影响。如果保持蒸汽终参数不变，提高蒸汽初参数，由于循环的平均放热温度不而平均吸热温度提高，因而朗肯循环热效率提高。提高蒸汽初参数虽然可以提高循环效率，但同时也带来了以下一些温度： （1）汽轮机出口湿度增加，会对汽轮机最末几级叶片产生冲蚀，影响汽轮机运行安全，同时降低汽轮机内效率。 （2）蒸汽发生器压力增高，要求给水泵杨程增加，增加给水泵叶轮轴向推力，同时给水泵消耗功率增加。 （2）对各系统、管道和阀门的强度、耐温性能要求提高。蒸汽终参数的影响。如果保持初参数不变，降低蒸汽终参数，由于平均吸热温度不变，而平均放热温度降低，因而朗肯循环热效率提高。但

13、降低蒸汽终参数也带来不利影响 （1）增加汽轮机排汽湿度，不利于汽轮机的安全有效运行 （2）蒸汽在汽轮机喷嘴出口出斜切口中膨胀，降低做功能力 （3）凝汽器出口水温低，增大第一级给水回热器的加热蒸汽量，使通过汽轮机低压缸最后几级的蒸汽流量减少，汽轮机发出的功率下降。降低蒸汽终参数，主要受自然条件和技术条件两方面因素的制约。 （1）凝汽器中凝水的温度不可能低于当地冷却水温度 （2）循环冷却水进出口温升和凝结蒸汽与循环冷却水出口温度之间的端差构成了排汽温度的极限。2.给水回热循环在蒸汽动力装置的朗肯循环中，给水从热源获得的热量大约有60%在定压（定温）放热过程中排向冷源，这是热力循环经济性不高的主要原

14、因；另一方面，定压吸热过程有一段是水由不饱和状态吸热变为饱和水的过程，温度相对较低，降低了热力循环的平均吸热温度，影响了热力循环的经济性。回热循环是从汽轮机中间级抽汽，对蒸汽发生器给水进行加热，使给水温度升高后进入蒸汽发生器，可提高二回路工质在蒸汽发生器内的平均吸热温度，减少与一次侧冷却剂温差，而且汽轮机排出的乏汽量减少，排向冷源的热量也减少，这都有利于提高循环热效率。回热循环的T-S图采用回热循环的效果有：1、显著提高循环的热效率，需要的换热面积减少，达到节省燃料的目的。2、汽轮机结构更加合理，给制造带来方便。因为每千克蒸汽所做的功减少，汽耗率增大，使汽轮机高压蒸汽流量增加，叶片长度也加长。

15、而抽气使汽轮机低压端流量减少，从而使汽轮机末几级叶片长度缩短。3、因进入凝汽器的乏汽量减少了，故凝汽器换热面也减少。 3.蒸汽再热循环对于饱和蒸汽的朗肯循环，提高蒸汽初参数可以提高循环热效率，但会引起乏汽干度减少，对汽轮机运行产生不利影响。采用中间再热系统可以提高低压缸进口蒸汽参数，提高蒸汽在汽轮机膨胀终点的干度，一方面提高了热经济性，另一方面又保障了汽轮机低压缸的安全运行。采用在热循环后，单位质量蒸汽所做的功增加，故汽耗率可降低，有利于减轻给水泵和凝水泵的负担。4.布雷顿循环 布雷顿循环是理想燃气轮机动力装置所采用的热力循环。理想布雷顿循环由绝热压缩、等压加热、绝热膨胀和等压冷却四个过程组成

16、。燃气轮机动力装置的原理流程图 布雷顿循环 改善布雷顿循环效率的主要途径有两条：一是采取回热、再热与间冷等措施，另一个是将多种热力循环有机结合的联合循环手段。高温气冷堆采用氦气作为冷却剂，反应堆出口氦气温度可高达850到1300度，因而有条件采用多种热力循环实现能量转换。（1） 采用布雷顿闭式循环。高温气冷堆布雷顿闭式循环相结合，主要采用回热和间冷组合的热力措施，来大幅提高循环效率和比功。因此，这种系统具有高初温、高效率、高比功、良好的变工况特性以及改善系统性能的最大潜力。（2） 布雷顿-朗肯联合循环将高循环初温的布雷顿闭式氦气循环和低排热温度的朗肯闭式蒸汽循环相结合，利用蒸汽循环吸收氦气循环的高温排热，实现能量的梯级利用，进而提高能量的利用水平。