双碳目标下高温气冷堆替代中小型火电的思考

碳达峰碳中和是我国一项重要的国家战略决策,“双碳”目标的提出给能源行业带来了深刻的变革,我国能源结构将进一步优化,电力行业必须实现低碳转型,新能源取代火电已成为必然。本文分析了新形势下火电企业面临的巨大挑战、发电规模受到限制、经营成本不断上升,尤其是中小型火电机组,面临着淘汰和关停的局面,而高温气冷堆具有固有安全性、发电效率高、用途广泛的显著特点,使其替代中小型火电成为可能。本文通过厂址适应性、技术可行性、经济可行性三方面,分析了高温气冷堆替代中小型火电的可行性,并从相关法律法规适用性、内陆厂址所带来的问题、开展公众沟通等方面提出建议。

一回路自然循环优化研究

鉴于对提升反应堆的运行效率和安全性能的需求,本文建立了反应堆一回路自然循环计算模型,并运用混合多目标遗传算法对其进行优化设计,旨在减少压力容器的高度并提升自然循环冷却剂流量。研究结果显示,在追求压力容器高度最小化的方案中,总高度降低了19.21%,相应的冷却剂流量减少了9.64%;而在最大化冷却剂流量的方案中,压力容器总高度增加了12.25%,冷却剂流量得到了29.26%的显著提升。

铅基反应堆海洋核动力发展研究

铅基反应堆(铅基堆)核动力具有固有安全、小型轻量、长寿高效等突出优点,在先进海洋装备、无人潜航器、深海空间站的能源动力上应用前景广阔;在加快建设海洋强国的背景下,保障海洋能源供给成为重要的基础条件,开展铅基堆海洋核动力发展研究是推动我国海洋装备能源动力技术革新的关键内容。本文总结了海洋核动力的应用场景与发展需求,从技术特征、代表性应用、研制现状等方面系统梳理了铅基堆核动力的发展概况,凝练和剖析了包括核燃料与包壳材料、一回路关键设备、冷却剂工艺与氧测控、先进发电技术在内的铅基堆海洋核动力关键技术。立足国情研判了铅基堆海洋核动力面临的发展挑战,提出了低温铅基堆海洋核动力、高温高效铅基堆海洋核动力、一体化全自然循环铅基堆海洋核动力等可行技术路线。研究建议,强化前瞻性配套专项技术研发、加快部署装备示范工程,将铅基堆纳入重大能源战略、加快建设标准体系,设置国家级联合研发机构、构建科技创新和产业发展新模式,更好服务国家海洋战略并推动海洋核动力跨越式发展。

核热推进系统分析程序模型与计算方法初步研究

核热推进(NTP)系统具有高比冲、大推力和工作时间长等特点,在深空探测和轨道机动等方面具有明显的优势。系统性能分析是NTP系统研发与设计的重要内容。结合对国际历史上已开发程序的分析以及现阶段的研发需求,将系统性能分析划分为稳态设计点性能分析与优化、稳态非设计点性能分析以及瞬态性能分析3个主要环节。在清华大学核能与新能源技术研究院自主开发的核动力发动机系统分析程序PANES基础上,提出了基于“流网-热网”的系统分析程序框架,并建立了反应堆中子动力学与涡轮泵动态特性等数学模型,提出了对应的计算分析方法,拓展了原程序的功能。该工作为NTP系统设计方法的进一步研究和应用提供了重要基础。

基于压缩感知理论的中子能谱解谱方法

准确的中子能谱信息对于核装置的设计和运行具有十分重要的意义,现有解谱方法通常将先验信息作为迭代初值使用,限制了解谱过程多重先验信息的使用。本文针对中子能谱测量中的解谱问题,建立了基于压缩感知理论的中子能谱解谱方法,并应用于几种典型中子能谱的多球谱仪测量和辐照监督管处中子能谱的活化片测量中的中子能谱解谱问题,结果表明:所建立的解谱方法可实现一次解谱中多重先验信息的使用,可有效实现典型中子能谱和反应堆辐照监督管处中子能谱的解谱,解谱结果与标准解吻合良好。另外,由于多重先验信息的使用,使得解谱过程对方程数量的依赖降低,去除^(238)U和^(237)Np等裂变探测器时辐照监督管处中子能谱依然可得到较高精度的求解,为辐照监督项目去除裂变探测器奠定了理论基础。

核电推进用100kWe级反应堆电源方案研究

针对空间核电推进技术应用需求,本文开展100 kWe级核电推进反应堆电源方案研究。提出100 kWe核电推进反应堆电源系统的设计理念,经初步优化设计,给出该系统总体设计参数和技术方案原理图,对热电转换系统开展详细设计研究,并从物理、屏蔽、热工以及结构方面对系统进行了分析和论证。结果表明,该系统方案合理可行,能满足物理、热工、安全和寿期要求。

反应堆中子倍增特性分析及标定技术研究

针对反应堆用核测量仪表的反应堆周期测量标定问题,从理论推导和实堆数据验证两方面研究了反应堆中子倍增特性,并确定了使用指数变化规律的信号可以表征反应堆中子注量率随时间的变化特性。为全面标定核测量仪表的反应堆周期测量性能,结合中子探测器输出信号微弱的特点,提出了基于数字技术实现反应堆周期信号模拟的方案。方案包括硬件和软件两方面,识别了关键问题,并设计解决了高精度定时和微弱信号输出问题。同时,研究了仪表的标定方法并按方法对反应堆周期信号输出的性能进行测试。在反应堆周期值为2 s~999 s的范围内,选取7个反应堆周期值进行测试,测试偏差绝对值的最大值为0.45%。

遗传算法优化加速器硼中子俘获治疗束流整形设计

基于加速器的硼中子俘获治疗(AB-BNCT)设备是一种基于加速器产生的超热中子的癌症治疗装置,可以建在人口密集地区的医院。BNCT治疗对于中子注量率和各种沾污有严格的要求,为满足这些要求需对中子束流整形装置进行优化设计。本文以14 MeV回旋加速器为基础,研究了一种基于遗传算法的束流整形装置(BSA)的优化设计方案,利用遗传算法对束流整形装置内部材料及尺寸进行设计优化。结果表明,该方法可高效地实现多目标优化设计。该方法经过修改能够用于核工程其他相关领域的设计。

40 kW热离子月面堆电源堆芯方案研究

针对月球科研站的用电需求,笔者开展了电功率为40 kW、寿期为10年,以氢化钇为慢化剂的热离子月面堆电源堆芯方案的研究。对该型反应堆的温度效应、燃耗效应、慢化剂氢泄漏效应以及临界安全特性进行了分析研究。经综合分析和权衡研究,给出了经过优化的堆芯布置方案。计算给出了堆芯的临界参数、各种反应性效应、反应性平衡、特殊临界安全特性以及堆芯热工特性。结果表明:堆芯方案设计满足物理、热工的要求。

40 kWe低浓铀月表堆堆芯方案研究

月球基地的建立首先需解决能源供给问题,核电源系统具有功率大、寿命长、环境适应性强等优点,是月球基地及其他深空探测任务中理想的能源提供方案。使用低浓铀燃料是近年来空间核动力发展的重要趋势,该文提出一种基于铀钼合金的月球基地核电源系统的堆芯方案设计,经初步优化设计,给出该系统的总体堆芯参数,并从物理、热工方面对堆芯进行分析和计算。结果表明,该堆方案合理可行,可以在寿期内满足各项要求。

板面温度不均匀条件下的空间辐射散热计算

辐射散热板的散热计算是空间核动力装置散热计算的重要部分,而其板面温度并不均匀,难以采用传统的角系数进行散热计算。本文通过对具有代表性换热特性的局部辐射散热板板面建模分析,应用蒙特卡罗方法进行板面温度不均匀条件下的空间辐射散热计算,即有效辐射计算与宇宙吸收辐射计算,并且给出板面温度不同方向上分布不均匀对结果的影响。

核电厂设备闸门开关带来的放射性物质释放风险研究

设备闸门是核电厂整个寿期内大型设备进出安全壳的唯一通道,是核电厂安全壳承压边界的重要组成部分。《核动力厂设计安全规定》(HAF 102—2016)中要求设备闸门必须保证在需要对安全壳进行隔离时能够快速和可靠地关闭。实际上,设备闸门开启和关闭需要操作人员现场操作,耗时较长,设备闸门开启期间可能会发生预计运行事件、设计基准事故和设计扩展工况。本文分别从确定论和概率论的角度对设备闸门开启期间电厂事故进程以及设备闸门开启对大量放射性物质释放频率的影响进行了分析,分析结果表明设备闸门开启对大量放射性物质释放频率具有显著影响。设备闸门开启造成的大量放射性物质释放频率值在内部事件大量放射性物质释放频率值中占比最高可达35.89%。

船用小堆的技术发展与应用展望

基于全球高度重视碳排放控制的时代背景,通过采用专题调研、交叉讨论和系统综合等方法,对核能这种安全、高效、清洁的能源在海事行业应用的技术现状进行阐述,并对其未来发展趋势进行展望。分析船用小堆的优势和发展历史、4种主要堆型的特点以及在动力、发电、海水淡化和制氢等领域中的应用前景,并对其快速发展所要面临的监管、法规标准、经济性和公众安全等方面的挑战进行讨论。在此基础上,建议我国集中力量完成首堆首型的上船验证,将其作为示范工程,助推相关产业积极、安全、有序地发展。

基于核能低温供热堆调节特性的基本热负荷确定方法研究

基于低温供热堆季节性功率调节幅度分析,推导了低温供热堆基本热负荷系数与功率调节幅度及供热负荷的函数关系,并给出了我国严寒和寒冷地区以供暖为主的低温供热堆系统基本热负荷系数范围。通过与俄罗斯(含苏联)建设的低温供热堆核能供热站设计数据对比,检验了该基本热负荷系数范围的合理性,即在功率调节幅度为10%的条件下,以供暖为主的低温供热堆基本热负荷系数严寒地区可取0.30~0.45,寒冷地区可取0.45~0.60。以严寒地区某核能供热系统为例,计算了低温供热堆的设备容量、调峰热源容量并分析了非供暖期提高核能利用率的设计方案。

核电厂陡边效应分析方法探索

自福岛核事故以来,各国核电监管机构采取了诸多行动提升核电厂安全性,其中“陡边效应”由此提出。新版HAF 102对设计中考虑陡边效应提出了规定,各国核电监管机构也对核电厂设计中考虑陡边效应提出要求。而设计者在面对陡边效应问题上没有明确的判断方法和设计措施,经常采用工程经验判断,无法确定设计中是否消除了陡边效应问题。本文从陡边效应原理上出发,推导出一种陡边效应的敏感性分析方法,试图建立始发事件引起的物理参数与后果的关系,使其能够对设计是否满足陡边效应进行衡量。同时对不同始发事件的陡边效应进行分析,得出陡边效应原则上的结论,并以内外部灾害为例分析了内部始发事件和外部始发事件的陡边效应。最后由此探索一种设计裕量的确定方法。本文所研究方法适用于所有设计中应考虑陡边效应的机组。

月球基地核电源系统方案研究

月球基地的建立首先需解决能源供给问题,核电源系统具有功率大、寿命长、环境适应性强等优点,是月球基地及其他深空探测任务中理想的能源提供方案。本文分析了目前可用于月球基地的能源情况,有针对性地提出40kWe月球基地核电源系统的设计理念,经初步优化设计,给出了该系统的流程和总体设计参数,并从物理、屏蔽、热工以及结构方面对系统进行了分析和论证。结果表明,该系统方案合理可行,能满足安全和寿期要求。

停堆氧化运行中主回路活化腐蚀产物的迁移与控制

核电站主回路中腐蚀产物的氧化净化是核电站大修的源项控制中最重要的一环。本文综合分析氧化净化过程中pH值、H2O2和溶解氢浓度对主回路活化腐蚀产物迁移的影响,结合大亚湾核电站的实践经验,提出了低pH值、低H2和集中引入适量氧的控制手段。

多用途小型堆ACPR100概念设计

中国广核集团提出了一种新的陆上多用途小型堆ACPR100,具有一体化设计、模块化布置、非能动安全、多用途等特点,目前已完成概念设计。本文主要介绍了ACPR100堆芯核设计、子通道热工水力分析、冷却剂系统分析、典型事故分析等研究成果。研究结果表明:ACPR100具备高安全性能、良好的冷却剂系统平衡及符合陆上小型堆用户需求的长周期换料等特点。

人工神经网络理论在核动力领域的应用与展望

对人工神经网络(ANN)在核动力领域的应用研究进行了评述。重点阐述了人工神经网络在核动力控制系统、核电厂监测与瞬态辨识、设备故障监测与诊断、核燃料管理、核参数预测等方面的应用与研究进展。就人工神经网络在核动力领域的实际应用问题提出了作者的看法。

中国发展小型堆核能系统的可行性研究

小型堆核能系统具有厂址要求低、应用灵活、核安全风险低、操控简单、建造周期短、一次性投资小等优点。从我国社会经济发展的角度,分析小型堆核能系统在节能减排、海洋开发、出口海外等方面的市场需求,并结合我国小型堆核能系统发展现状,分析了其在技术和经济性上的可行性。