中国电机工程学会2007年一季度理事长、秘书长联席会议

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1 1/511 动力与电气工程学科发展报告 (2015) 核能发电技术进展及发展趋势 2015 年 11 月 18 日

2 目录 2/51 一 专题编写情况介绍二 核能发电技术进展三 核电发展趋势分析四 结论

3 一 专题编写情况介绍 3/51 第一阶段 ( 筹备和启动 ): 2014 年 10 月, 核能发电分会召开了专题会启动 年动力与电气工程学科发展报告 核电专篇编写, 年底完成核能发电各个分支领域的收资, 并起草各个专业领域的分报告 课题组成员 课题组成员 姓名单位角色职称 汪映荣国家电力投资集团公司负责人高经 俞卓平国家电力投资集团公司首席科学家研高 郭宇国家电力投资集团公司引言 创新发展机制分析与建议高工 王煦嘉上海核工业设计院压水堆高工 王明政中国原子能院快堆教高 董玉杰清华大学核研院高温堆教授 姜卫红核工业西南物理研究院聚变堆教高 刘宏国家核电技术公司小堆高工

4 一 专题编写情况介绍 4/51 第二阶段 ( 编写完善 ) 2015 年 1 月, 完成核能发电专题报告初稿 3 月, 根据中国电机工程学会 2 月 5 日组织召开的会议情况修改完成核能发电专题报告 ( 第二版 ) 7 月, 根据 5 月 20 日学科发展研究报告项目组第三次工作会议修改完成核能发电专题报告 ( 第三版 ) 9 月, 根据 7 月中国电机工程学会专家评审意见对报告进行了进一步修改完善, 完成核能发电专题报告 ( 第四版 )

5 一 专题编写情况介绍 5/51 第三阶段 ( 持续改进 ) 斟词酌句, 力求用简洁的语言把复杂的技术描述清楚 适当调整结构, 给读者一个明晰的脉络, 便于参考查阅 广泛听取各领域专家的意见, 力求在较短的篇幅内将重大和关键的技术进步和技术趋势描述准确 紧密结合行业动态和项目最新进展, 确保数据和图表的时效性

6 二 核能发电技术进展 6/51 AP1000 AP1000 在传统成熟的压水堆核电技术的基础上, 采用 非能动 的安全系统 CAP1000 相对依托项目的改进优化及经验反馈 设备自主化 大宗材料代换 公英制转换 福岛核事故后的设计改进考虑

7 二 核能发电技术进展 7/51 CAP1400 自主研发的 1400MWe 级大容量非能动压水堆核电厂, 具有良好的经济性和安全性 重新设计反应堆, 堆芯采用 193 盒高性能燃料组件, 降低线功率密度, 并具备 MOX( 铀钚混合 ) 燃料装载能力 采用 50Hz 的反应堆冷却剂泵, 避免变频器长期运行, 提高主泵运行可靠性, 减少能耗 重新设计主系统和辅助系统, 优化总体参数, 提高可靠性 重新设计钢安全壳, 提高安全裕量, 改善系统布置, 优化可达性 自主设计钢板混凝土 (SC) 结构屏蔽厂房, 具备抗大型商用飞机恶意撞击能力 采用基于 FPGA( 现场可编程门阵列 ) 技术的反应堆保护系统 进一步增强核电站抗击地震 外部水淹等极端自然灾害的设防, 非能动安全系统具备 72 小时后的补给能力, 确保电站安全

8 二 核能发电技术进展 8/51 华龙一号 177 组燃料组件堆芯 三个安全系列相融合并优化 具有自主知识产权的三代百万千瓦级压水堆核电技术 示范工程项目福清 5 6 号机组和防城港 3 4 号机组, 福清 5 号机组已于 2015 年 5 月 7 日正式开工建设 防城港 3 4 号机组正在进行安全审评工作

9 二 核能发电技术进展 9/51 M310+ 主要改进侧重于长期阶段的非能动冷却, 共增加了三个非能动冷却系统 : 蒸汽发生器二次侧非能动余热排出系统 非能动应急高位冷却水源系统 非能动堆腔注水系统

10 二 核能发电技术进展及发展趋势 10/51 EPR EPR 是法马通和西门子联合开发的三代先进压水堆 为单堆布置四环路机组, 电功率 1700MWe, 设计寿命 60 年 双层安全壳设计, 外层采用加强型的混凝土壳抵御外部灾害 内层为预应力混凝土 较适合大容量电网以及人口密度大 场址少的地区

11 二 核能发电技术进展 11/51 我国的压水堆设计 建设水平已走到世界前列 我国具备自主设计建设第三代核电机组的能力 我国在建的 AP1000 CAP1400 EPR, 华龙一号均属第三代核电技术, 也是目前国际上在建的最先进的压水堆机组

12 二 核能发电技术进展 12/51 重水堆具有中子经济性好 燃料管理灵活 可大规模生产同位素等特点, 因而重水堆可以回收利用压水堆的乏燃料 ( 回收铀 ) 和钍资源 重水堆是目前唯一能大规模生产钴 -60 同位素的商用堆型 重水堆可规模化生产同位素氚, 可作为 核能三步走 之聚变堆核燃料的来源, 对我国核能长期可持续发展具有重要意义 中核集团与加拿大坎杜能源公司联合开发了更加具备燃料灵活性优势的三代先进燃料重水堆堆型, 已经完成了总体概念设计和初步安全分析评价工作

13 二 核能发电技术进展及发展趋势 13/51 高温气冷堆采用陶瓷型包覆颗粒燃料元件, 全陶瓷型堆芯结构, 以化学惰性的氦气作冷却剂, 耐高温的石墨作慢化剂 模块式高温气冷堆具有固有安全性, 排除了由于反应堆剩余发热导致堆芯高温熔化的可能性 反应堆出口温度高, 可用于高效发电, 也可用于大规模工艺热应用 单一模块反应堆功率规模较小, 可通过灵活组合多个模块适应不同需求的能源市场

14 二 核能发电技术进展及发展趋势 14/51 高温气冷堆主要关键技术包括 : 关键设备 : 反应堆压力容器 主氦风机 蒸汽发生器 控制棒及其驱动机构 备用停堆系统 反应堆控制与保护系统等 ; 重要辅助系统 : 燃料装卸系统 乏燃料贮存系统 氦净化与氦辅助系统等 ; 物理热工设计分析 系统模拟 安全分析及验证 ; 燃料元件生产设备和工艺 辐照实验及性能评价 ; 氦气透平发电 高温制氢等前瞻性技术 ;

15 二 核能发电技术进展 15/51 世界首台套大功率电磁轴承主氦风机工程样机重大关键技术突破 主氦风机总体集成技术 ; 高转速 大载荷磁悬浮轴承技术 ; 三维高效叶轮设计及制造技术 ; 氦气环境的大功率立式高速变频电机技术 ; 电机及电磁轴承的高效冷却技术 ; 大电流 高电压 高压差的电气贯穿件技术 ; 传动机构固体润滑技术 关键应用领域及推广应用前景 高温气冷堆的研发成果及其商业应用为中国乃至世界市场提供了一种固有安全的核能, 在发电方面成为压水堆的补充, 在替代石油天然气提供高温工艺热方面成为主力 以 HTR-PM 为基础, 有望在十三五期间开工建设 1-2 个多模块产业化后续机组

16 二 核能发电技术进展 16/51 钠冷快堆是以液态钠为冷却剂, 由快中子引起核裂变并维持链式反应的反应堆 是第四代核反应堆中研发进展最快 最接近满足商业核电厂需要的堆型 21 世纪以来, 快堆技术在世界范围内得到进一步发展, 俄罗斯 印度 法国 中国 日本等国均有在建的快堆项目或提出了新的快堆发展计划 中国试验快堆的建成标志着我国第四代核电技术的研发进入国际先进行列, 成为世界上少数拥有快堆技术的几个国家之一 中国实验快堆 (CEFR) 核热功率 65 兆瓦, 实验发电功率 20 兆瓦, 是目前世界上为数不多的具备发电功能的实验快堆,2010 年 7 月实现首次临界, 2011 年 7 月实现 40% 功率并网发电, 2014 年 12 月实现满功率

17 二 核能发电技术进展 17/51 俄罗斯是最早开始发展快堆的国家之一, 也是目前世界上运行快堆电站数目最多的国家, 积累了 140 堆年的快堆运行经验 ( 包括实验堆 ), 占世界快堆运行堆年数的 35% 日本建成了常阳实验快堆和文殊示范快堆, 并完成了一系列燃料及材料辐照试验, 并示范了核燃料循环的可行性 美国是最早开始研究快堆技术的国家, 先后建成并运行 7 座快堆电站, 采用过金属燃料及 MOX 燃料, 在快堆技术领域积累了大量宝贵经验 2000 年, 美国能源部牵头组织了 GIF, 在全球先进核能技术的发展中起到了十分积极的主导作用 法国建设了三座快中子反应堆是世界上第一个建设并运行过大型商用快堆的国家 我国与上述国家相比, 仍然还有较大的差距

18 二 核能发电技术进展及发展趋势 18/51 小型模块化反应堆技术 : 潜在核能市场的选择之一, 可满足热电联产和海水淡化的需求, 能够为寒冷地区供热, 为经济技术开发区提供热电联产, 并可满足海洋大国的动力研发和海洋经济开发中能源和海水淡化的需求 因此, 发展陆基多用途小型模块化反应堆和开发移动式小型模块化反应堆具有实际工程应用价值 用途广 : 发电 供热 海上核能浮动平台 海上核动力水电联产平台 用于核动力货船 浮动核电站 石油钻井平台等领域

19 二 核能发电技术进展 19/51 核聚变技术 受控核聚变 ITER 计划是世界第一个国际热核聚变实验堆计划, 参加 ITER 计划的七方国家包括 : 中国 欧盟 印度 日本 韩国 俄罗斯和美国 托卡马克是最有可能首先实现聚变能源商业化的途径 目前, 国际聚变能源开发的主流路径是磁约束托卡马克核聚变 中国确定的聚变能开发的战略步骤为 ; 聚变能技术 聚变能工程 聚变能商用三个阶段

20 三 趋势分析 20/51 压水堆 : 作为高功率密度的电源, 将极大的提高我国珍贵的核电厂址资源的利用率, 提高电厂的经济性, 以华龙一号和 CAP1700 为代表 CAP: 山东荣成 山东海阳 广西防城港 湖南小墨山等 华龙一号 : 福建福清等 快堆 : 钠冷快堆是第四代核能系统的主要堆型, 将直接支持工业规模闭式燃料循环体系的建立, 提高铀资源的利用率, 解决能源的长期供应问题 小堆 : 海上核动力水电联产 为实现南海岛屿有效控制和实际占有, 向初期的岛礁拓荒建设需要大量的工程机械和施工人员提供充足的淡水和能源保障 ; 后续的长期驻守和后续经济开发也需要有持续的淡水和能源供应 ; 沿海及群岛型国家对核能制淡水和供电 ; 其他重点关注领域 : 退役技术 乏燃料组件干式贮存技术 国际热核聚变实验堆 (ITER) 技术

21 四 总结 21/51 我国核电发展的脉络可概括为 : 热堆 快堆 聚变堆 ; 我国核电从研发第一个核电堆型开始就确定了主要采用压水堆技术路线 ; 新发布的 能源发展战略行动计划 ( 年 ) 明确, 到 2020 年, 我国核电装机容量达到 5800 万千瓦, 在建容量达 3000 万千瓦以上 结语 : 核能发电是我国能源战略的重要选择, 是满足我国能源发展需要 解决我国环境污染 实现温室气体减排目标的重要途径 安全发展核电, 对保障国家能源安全 保障电力供应 调整能源结构 保护生态环境 带动产业发展, 促进科技进步和增强综合国力具有重要意义

22 谢谢! 22/51

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