小身躯、大用途 玲龙一号不只是核能“充电宝”

2021-09-15 09:36  来源:科技日报  浏览:  

玲龙一号建成后年发电量可达10亿千瓦时,满足52.6万户家庭一年生活所需。玲龙一号每台机组每年发电相当于减少二氧化碳排放88万吨,种植树木750万棵。

“沿海发达地区的土地资源非常宝贵,如果在那里建一个大型反应堆,反应堆周围的设施会受到限制;如果建一个小型的反应堆,既不占用大量土地,反应堆需要的冷却水还可以‘就地取材’。”9月10日,中核集团玲龙一号总设计师宋丹戎说,在沿海建造小型反应堆,可为沿海城市“充电”。

玲龙一号就是这样一个“核能充电宝”。玲龙一号(ACP100)是中核集团通过十余年自主研发并具有自主知识产权的多功能模块化小型压水堆堆型,是继三代核电华龙一号后的又一自主创新重大成果。今年7月13日,玲龙一号在海南昌江正式开工,成为全球首个开工的陆上商用模块化小型堆,建设周期58个月,预计2026年建成。

身材虽小,技术含量却很高

按照国际原子能机构的定义,小型堆是指电功率30万千瓦以下的反应堆。

小型堆曾被中国工程院院士叶奇蓁誉为核能“游戏的改变者”。叶奇蓁认为,小型堆能够以高安全水平提供不同的核电联产解决方案,但它需要真正采用创新理念,不能仅仅是第三代反应堆的缩小版。

今年1月30日,电功率100万千瓦,采用分散布置的第三代大型反应堆华龙一号全球首堆正式投入商业运营。相比华龙一号,玲龙一号小巧玲珑得多,占地面积只有华龙一号的三分之一,采取一体化布置,电功率12.5万千瓦。

除了大小与布置上的差异,“双龙”在应用场景、技术研发上也有不同侧重。

玲龙一号项目总经理刘承敏表示,华龙一号主要用于核能发电,玲龙一号则主要是核能综合利用。除了发电,玲龙一号还能满足多种需求,例如城市供热、海水淡化、石油开采等,适用于园区、海岛、矿区、高耗能企业自备能源等多种场景。

刘承敏说,小型堆最突出的特征是一体化设计、模块化建造和完全非能动的安全系统。

玲龙一号将蒸汽发生器、反应堆、主泵、主管道等集合为一体,能够在工厂内模块化制造并组装好,运到现场直接进行安装和调试。通过批量化和快速建造,缩短现场施工时间和建造工期,实现规模经济效益。

非能动安全系统,可谓玲龙一号保障安全性的“杀手锏”。设计人员采用“固有安全加非能动安全”的设计理念,一方面,通过在设计阶段预估潜在事故,消除其发生的可能性;另一方面,在反应堆失去供能的极端情况下,使其可以利用自然现象和规律确保反应堆的安全,事故后也可以在很长一段时间内无需人为干预。相比大型堆,玲龙一号功率小、使用核燃料少,应急计划区可以控制在厂区边界内,能够靠近城镇及工业园区部署。

“因为和传统堆的差别大,所以创新的程度和技术跨度大。玲龙一号是完全的自主创新设计。”宋丹戎说。围绕这一开创性的堆型,中国核动力研究设计院攻克了反应堆热工水力、安全系统验证、力学性能等关键技术,研发了包括主泵、驱动机构、直流蒸汽发生器等20多项关键设备,形成了大量实用新型专利和发明专利。为了充分验证安全性,研发团队还建设了全亚洲最大的非能动安全系统综合实验台架进行试验。

“人类历史上还没有一个12.5万千瓦的模块化小型堆,我们利用智慧,从零到一实现了玲龙一号的构建。”中核集团玲龙一号副总设计师秦忠说。

历经考验,终于“落地扎根”

2010年,中核集团正式启动对小型堆的研发,玲龙一号从图纸走向现实,可谓“过五关斩六将”。

造价成本是第一道关卡。

宋丹戎介绍,“玲龙一号主要通过革新设计、简化系统、批量建设来降低造价成本。同时,小型堆的建设相比大型堆,大幅减少了对土地资源的占用,这也降低了相关成本。”

他进一步解释说,大型堆主要通过发电实现经济性,而小型堆则另辟蹊径,从“供热”方面实现经济性。发电可以通过电网实现长距离输送,供热则更依赖贴近用户的分布式能源。他表示,“在碳达峰、碳中和的全球能源生产和消费革命时代要求下,稳定性好的清洁能源将具有较强的议价能力。”

第二道关卡在于如何确保安全性。

研发设计团队积极借鉴已有标准规范,历经重重考验,拿到了国内许可证和全球“通行证”。2016年,玲龙一号成为全球首个通过国际原子能机构安全审查的小型堆,这也意味着它未来可向海外出口,为全球能源贡献中国力量。

在国内,国家核安全局组建了由国家核与辐射安全中心、苏州核安全中心专家组成的安全审查联合团队,对玲龙一号的安全性进行考察。2020年6月,国家核安全专家委员会通过了联合团队对玲龙一号的安全评价报告;2021年7月,国家核安全局颁发了玲龙一号示范工程建造许可证,玲龙一号正式开工。

此外,还有设备的制造供货难题。面对不确定的工期,玲龙一号的研发团队做了充分的“沙盘推演”。沙盘推演即通过模拟工程建设安装过程,识别进度风险,提出应对措施,帮助玲龙一号确定工期,为这一核能建设保驾护航。

助力“双碳”,自主品牌“走出去”

核能发电是一种低排放、高效率的新型能源,具有安全友好、绿色低碳、经济高效等多重优势。安全、积极有序地批量发展核电,可以连续、稳定地承担碳达峰、碳中和任务,助力我国深入推进能源转型,优化能源结构。

据中核集团消息,玲龙一号建成后年发电量可达10亿千瓦时,满足52.6万户家庭一年生活所需。每台玲龙一号机组每年发电相当于减少二氧化碳排放88万吨,种植树木750万棵。它的推广应用可以大大减少我国化石能源的消耗、促进节能减排,对于推动核电安全发展和自主创新具有重要意义。

玲龙一号不仅在实现“双碳”任务方面是好帮手,还具有“走出去”的广阔前景。玲龙一号由中国核电全资控股,其建设使小型堆技术得到全方位实施及验证,将加速提升我国在模块式小型堆领域的自主创新能力,巩固我国在这一领域的先发优势,形成自主堆型品牌。

国际原子能机构发布的《2050核能技术路线图》显示,建立一个小型堆市场,首要条件是供应商在自己国家首先成功地建造第一座小型堆,然后其他国家才会考虑在本国推广。因此,玲龙一号的建设因而具有自主品牌“走出去”的重要示范价值。

“小型堆是国际竞争的焦点之一。基于灵活性和多用途,它具有一些无法替代的优势。”海南核电有限公司党委书记、董事长魏国良说。例如,应用于中小电网和区域电网,小型堆比大型堆更加经济。

宋丹戎在此前的采访中也提到:“虽然此类应用在国内需求量可能不大,但在美英等国或者中东、非洲国家,以及领土、人口较少的中小国家,具有较强的市场优势。”

“对于一些仅有几万居民的小海岛,大型反应堆的发电功率太高,小型堆就很合适,而且还可以进行海水淡化给岛上居民提供淡水。”中国核电党委书记卢铁忠分析:“沿着南海出去,‘一带一路’沿线的一些国家如菲律宾、印度尼西亚、马来西亚等,小岛很多。还有像沙特阿拉伯等国家的偏远地区,可能对此也有需要。”

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