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科技日報:小身軀、大用途 玲龍一號不只是核能“充電寶”

文章來源:科技日報  發布時間:2021-09-15

玲龍一號建成后年發電量可達10億千瓦時,滿足52.6萬戶家庭一年生活所需。玲龍一號每臺機組每年發電相當于減少二氧化碳排放88萬噸,種植樹木750萬棵。

“沿海發達地區的土地資源非常寶貴,如果在那里建一個大型反應堆,反應堆周圍的設施會受到限制;如果建一個小型的反應堆,既不占用大量土地,反應堆需要的冷卻水還可以‘就地取材’。”9月10日,中核集團玲龍一號總設計師宋丹戎說,在沿海建造小型反應堆,可為沿海城市“充電”。

玲龍一號就是這樣一個“核能充電寶”。玲龍一號(ACP100)是中核集團通過十余年自主研發并具有自主知識產權的多功能模塊化小型壓水堆堆型,是繼三代核電華龍一號后的又一自主創新重大成果。今年7月13日,玲龍一號在海南昌江正式開工,成為全球首個開工的陸上商用模塊化小型堆,建設周期58個月,預計2026年建成。

身材雖小,技術含量卻很高

按照國際原子能機構的定義,小型堆是指電功率30萬千瓦以下的反應堆。

小型堆曾被中國工程院院士葉奇蓁譽為核能“游戲的改變者”。葉奇蓁認為,小型堆能夠以高安全水平提供不同的核電聯產解決方案,但它需要真正采用創新理念,不能僅僅是第三代反應堆的縮小版。

今年1月30日,電功率100萬千瓦,采用分散布置的第三代大型反應堆華龍一號全球首堆正式投入商業運營。相比華龍一號,玲龍一號小巧玲瓏得多,占地面積只有華龍一號的三分之一,采取一體化布置,電功率12.5萬千瓦。

除了大小與布置上的差異,“雙龍”在應用場景、技術研發上也有不同側重。

玲龍一號項目總經理劉承敏表示,華龍一號主要用于核能發電,玲龍一號則主要是核能綜合利用。除了發電,玲龍一號還能滿足多種需求,例如城市供熱、海水淡化、石油開采等,適用于園區、海島、礦區、高耗能企業自備能源等多種場景。

劉承敏說,小型堆最突出的特征是一體化設計、模塊化建造和完全非能動的安全系統。

玲龍一號將蒸汽發生器、反應堆、主泵、主管道等集合為一體,能夠在工廠內模塊化制造并組裝好,運到現場直接進行安裝和調試。通過批量化和快速建造,縮短現場施工時間和建造工期,實現規模經濟效益。

非能動安全系統,可謂玲龍一號保障安全性的“殺手锏”。設計人員采用“固有安全加非能動安全”的設計理念,一方面,通過在設計階段預估潛在事故,消除其發生的可能性;另一方面,在反應堆失去供能的極端情況下,使其可以利用自然現象和規律確保反應堆的安全,事故后也可以在很長一段時間內無需人為干預。相比大型堆,玲龍一號功率小、使用核燃料少,應急計劃區可以控制在廠區邊界內,能夠靠近城鎮及工業園區部署。

“因為和傳統堆的差別大,所以創新的程度和技術跨度大。玲龍一號是完全的自主創新設計。”宋丹戎說。圍繞這一開創性的堆型,中國核動力研究設計院攻克了反應堆熱工水力、安全系統驗證、力學性能等關鍵技術,研發了包括主泵、驅動機構、直流蒸汽發生器等20多項關鍵設備,形成了大量實用新型專利和發明專利。為了充分驗證安全性,研發團隊還建設了全亞洲最大的非能動安全系統綜合實驗臺架進行試驗。

“人類歷史上還沒有一個12.5萬千瓦的模塊化小型堆,我們利用智慧,從零到一實現了玲龍一號的構建。”中核集團玲龍一號副總設計師秦忠說。

歷經考驗,終于“落地扎根”

2010年,中核集團正式啟動對小型堆的研發,玲龍一號從圖紙走向現實,可謂“過五關斬六將”。

造價成本是第一道關卡。

宋丹戎介紹,“玲龍一號主要通過革新設計、簡化系統、批量建設來降低造價成本。同時,小型堆的建設相比大型堆,大幅減少了對土地資源的占用,這也降低了相關成本。”

他進一步解釋說,大型堆主要通過發電實現經濟性,而小型堆則另辟蹊徑,從“供熱”方面實現經濟性。發電可以通過電網實現長距離輸送,供熱則更依賴貼近用戶的分布式能源。他表示,“在碳達峰、碳中和的全球能源生產和消費革命時代要求下,穩定性好的清潔能源將具有較強的議價能力。”

第二道關卡在于如何確保安全性。

研發設計團隊積極借鑒已有標準規范,歷經重重考驗,拿到了國內許可證和全球“通行證”。2016年,玲龍一號成為全球首個通過國際原子能機構安全審查的小型堆,這也意味著它未來可向海外出口,為全球能源貢獻中國力量。

在國內,國家核安全局組建了由國家核與輻射安全中心、蘇州核安全中心專家組成的安全審查聯合團隊,對玲龍一號的安全性進行考察。2020年6月,國家核安全專家委員會通過了聯合團隊對玲龍一號的安全評價報告;2021年7月,國家核安全局頒發了玲龍一號示范工程建造許可證,玲龍一號正式開工。

此外,還有設備的制造供貨難題。面對不確定的工期,玲龍一號的研發團隊做了充分的“沙盤推演”。沙盤推演即通過模擬工程建設安裝過程,識別進度風險,提出應對措施,幫助玲龍一號確定工期,為這一核能建設保駕護航。

助力“雙碳”,自主品牌“走出去”

核能發電是一種低排放、高效率的新型能源,具有安全友好、綠色低碳、經濟高效等多重優勢。安全、積極有序地批量發展核電,可以連續、穩定地承擔碳達峰、碳中和任務,助力我國深入推進能源轉型,優化能源結構。

據中核集團消息,玲龍一號建成后年發電量可達10億千瓦時,滿足52.6萬戶家庭一年生活所需。每臺玲龍一號機組每年發電相當于減少二氧化碳排放88萬噸,種植樹木750萬棵。它的推廣應用可以大大減少我國化石能源的消耗、促進節能減排,對于推動核電安全發展和自主創新具有重要意義。

玲龍一號不僅在實現“雙碳”任務方面是好幫手,還具有“走出去”的廣闊前景。玲龍一號由中國核電全資控股,其建設使小型堆技術得到全方位實施及驗證,將加速提升我國在模塊式小型堆領域的自主創新能力,鞏固我國在這一領域的先發優勢,形成自主堆型品牌。

國際原子能機構發布的《2050核能技術路線圖》顯示,建立一個小型堆市場,首要條件是供應商在自己國家首先成功地建造第一座小型堆,然后其他國家才會考慮在本國推廣。因此,玲龍一號的建設因而具有自主品牌“走出去”的重要示范價值。

“小型堆是國際競爭的焦點之一。基于靈活性和多用途,它具有一些無法替代的優勢。”海南核電有限公司黨委書記、董事長魏國良說。例如,應用于中小電網和區域電網,小型堆比大型堆更加經濟。

宋丹戎在此前的采訪中也提到:“雖然此類應用在國內需求量可能不大,但在美英等國或者中東、非洲國家,以及領土、人口較少的中小國家,具有較強的市場優勢。”

“對于一些僅有幾萬居民的小海島,大型反應堆的發電功率太高,小型堆就很合適,而且還可以進行海水淡化給島上居民提供淡水。”中國核電黨委書記盧鐵忠分析:“沿著南海出去,‘一帶一路’沿線的一些國家如菲律賓、印度尼西亞、馬來西亞等,小島很多。還有像沙特阿拉伯等國家的偏遠地區,可能對此也有需要。”

【責任編輯:張思嘉】

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