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

提綱
1. 引言
2. 規劃的核電裝機容量對天然鈾的需求量
3. 鈾資源利用率與轉換比/增殖比正相關
4. 超臨界水堆——輕水堆前沿技術
5. 超臨界水堆在中國的現實性
6. 超臨界水堆和節省鈾資源
7. 結論

1. 引言

• 鈾資源是核電規劃的重要基礎
• 到2005年底，中國商業運行核電機組裝機容量為6998MWe，占全國總裝機量1.4％，在建核電機組裝機容量為2120MWe
• 核電規劃目標：到2020年中國核電要達到建成商業運行機組裝機容量40,000MWe，在建機組裝機容量18,000MWe，這是一個極具挑戰性的目標
• 超臨界水堆是輕水堆的前沿技術，第4代核電的一個發展方向
• 超臨界水堆在中國是最現實的，也有利于節省鈾資源

2. 規劃的核電裝機容量對天然鈾的需求量
      2.1 已有和已批準開工核電機組
      表1  商業運行和在建核電機組

表2  新開工建設核電機組

2.2  規劃的裝機容量
• 根據規劃目標，國家已批準開工建設的核電項目
– 嶺澳二期工程          2×1000MWe PWR  2005.12
– 秦山二期擴建工程  2×650MWe   PWR  2006.03
• 到2015年前，必須有28×1000MWe機組開工建設，才能在2020年建成40,000MWe機組
• 在2015-2020期間，還應再開工建設18×1000MWe機組
• 到2025年，總共將有58GWe核電機組運行
• 按上述設想，核電裝機容量增長趨勢表示在圖1上
• 2020年，中國電力總裝機將達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1500GWe
• 在此基礎上，假定核電增長2個方案，也表示在 圖1上
• 案1.  2025-2040維持在2025年的核電比例5.5％     核電應有83GWe（圖中虛線）
• 案2.  在2040年，核電比例達8％     核電應有120GWe

• PWR是中國核電的主流堆型
• 批量建設核電機組的可能方式
– 翻版＋改進
– 引進第三代核電技術
– 開發有中國特點的PWR
• 無論采用何種方式，新建機組應當
– 經濟性明顯改善，造價和運行成本降低
– 安全性有所提高
– 堆的性能有所改進
– 有利于可持續發展
2.3  天然鈾需求量

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

《Die Zukunft der Stromversorgung》P.87, 1992

• 相對的鈾資源利用率對轉換比/增殖比靈敏且正相關
• 輕水堆技術發展，燃耗增加，轉換比提高，快堆相對輕水堆燃料利用率的提高倍數已大大降低（用在相當長時間內難以實現的合金燃料高增殖的快堆與七、八十年代設計的壓水堆比較，夸大了提高鈾資源利用率的倍數）
• 高轉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（工藝流程）與堆技術相匹配
• MOX原本為快堆開發，但首先在熱堆內使用
• 由于經濟、技術原因，主要核電國家快堆計劃都一再推遲
4. 超臨界水堆——輕水堆前沿技術
 4.1  輕水堆技術發展歷程

4.2  輕水堆發展趨勢

• 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
• 可靠性和經濟性  燃料利用的經濟性和靈活性
       可利用率  建設周期（模塊化）
       電廠使用壽期
       燃料的充分利用（高轉換比）
4.3  進一步發展的輕水堆概念
• 目前受到較多關注的輕水堆概念
– 一體化主系統反應堆（IPS）
– 簡化沸水堆（SBWR）
– 壓力管反應堆（PTR）
– 超臨界水反應堆（SCWR）
– 高轉換比水堆（HCR）
– 球床燃料水堆（HCR）
– 與燃料循環相關的先進水堆（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
     4.4.1 GIF選擇了6種堆型概念作為
       第4代核能系統優先開發目標
– 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個堆型，4個堆型可增殖燃料
• 最有可能要求建設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
– 水的臨界點壓力22.12MPa，溫度374.3℃
– 運行壓力超過臨界壓力，水呈單一介質，不發生相變
• 進出口冷卻劑熱焓差遠大于現有水堆，低流量滿足載熱要求，進口280 ℃和出口540 ℃就可全自然循環
• 最大限度簡化了反應堆配置，不需要蒸汽發生器、主泵、穩壓器、汽水分離器和干燥器，是最簡單的一體化反應堆
• 安全殼尺寸很小
• BOP配置規模小
• 能最大限度利用現有輕水堆和超臨界火電廠的成熟技術

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  超臨界水堆的技術經濟特點
• 技術特點
– 綜合利用輕水堆和超臨界/超超臨界火電廠的成熟技術
– 堆芯中子能譜可靈活設計，既可設計熱堆，也可是快堆
• 經濟特點
– 熱效率高，可達44％（水堆目前～33％），省鈾，系統和設備簡化，降低建造和運行成本
4.4.4  主要的R&D
• 堆芯設計
• 堆芯材料
• 安全性分析
• 穩定性和控制
5. 超臨界水堆在中國的現實性
• 世界核能界普遍認為第4代核能系統（包括反應堆和燃料循環）的研發目標是：經濟性、可持續性、安全性、防止核擴散和實體保護
• 核電業主和消費者最關心的是：經濟性明顯改善，高放廢物永久貯存得到合理和可靠的解決，加之油價持續攀升不降，是刺激建設新核電機組的主要因素。但世界范圍內規模建設新核電機組是在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，仍需批量建設新機組。根據新堆型開發的成熟性，決定建什么堆型的核電機組
• 超臨界水堆的技術基礎源于輕水堆和超臨界（超超臨界）火電機組，在中國研發超臨界水堆最具現實性：
• 超臨界水堆是輕水堆的進一步發展，而壓水堆是迄今和今后中國核電發展的主導堆型。在已有壓水堆技術和相應的配套研發設施、設備制造能力基礎上研發超臨界水堆，能與成熟的壓水堆技術很好地銜接
• 超臨界火電機組在世界范圍內包括在中國的應用都已是成熟技術，超臨界水堆機組的常規島易與之結合。它還可以借鑒超臨界火電機組耐高溫材料和水處理控制技術的經驗
• 超臨界工況使輕水堆的系統和設備大大簡化，繼而核電站的造價和運行成本大為降低，經濟性明顯改善
• 冷卻劑平均密度較低，可以靈活設計堆芯中子能譜，超臨界水堆不僅能設計成熱堆，也能設計成快堆，意味著在超臨界水堆內提高燃料利用率的潛力
• 超臨界水堆設計目標使熱效率高、發電成本低，熱效率可達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省鈾資源，有利于核電可持續發展
6. 超臨界水堆和節省鈾資源
• 人們預期的2020年中國核電規劃目標對鈾資源的需求已相當可觀。中國核電發展的歷程表明，很難對長期發展作出較準確預測。但是，中國大規模發展核電，鈾資源將是最主要制約因素之一，應備受關注。按本文2.2內的保守預測，在2020-2040年內，保持中國核電適度發展還要再建62臺百萬千瓦機組，所需支持的鈾資源量已表示在圖2內
• 當核電機組的裝機容量確定后，鈾的年需求量和機組熱效率成反比。如果從2020年開始逐步批量建設超臨界水堆，到2040年建成62臺百萬千瓦級機組，則在2040年，與輕水堆相比，天然鈾年需求量將減少3134噸，在全壽期內天然鈾需求總量將減少188065噸
• 相應地，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
• 當然，燃料組件制造量和乏燃料產生量也都相應地有明顯減少
• 如果超臨界水堆設計成快堆，鈾資源的可利用率會進一步大大提高，可能是中國實現核燃料增殖的捷徑
* 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的問題不在此討論
7. 結論
• 按中國核電規劃目標，在2025年天然鈾年需求量為10616噸，在全壽期內總需求量達641867噸（均按鈾重量計）。穩定可靠的鈾資源供應是中國核電可持續發展的最重要因素
• 應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生高參數熱能去發電最為合理
• 在可預見的未來，中國發展超臨界水堆是有效利用和節約鈾資源最現實的途徑，超臨界水堆可能成為支持中國核電可持續發展的重要堆型。