2022年重水堆核電站的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢

重水堆核電站的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢核反應(yīng)堆是核電站中最關(guān)鍵的設(shè)備，也是不同類型核電站的主要差別所在。1954年，前蘇聯(lián)建成世界第一座試驗(yàn)核電站奧勃靈斯克核電站。1957年，美國建成世界第一座商用壓水堆核電站希平港核電站。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的進(jìn)展和篩選，已進(jìn)展成商業(yè)規(guī)模并且不斷有后續(xù)建筑項(xiàng)目的核電反應(yīng)堆主要有3種類型：壓水堆、沸水堆和重水堆。壓水堆和沸水堆源于1953年美國原創(chuàng)開發(fā)勝利的核潛艇動力堆；而重水堆則主要是由加拿大原創(chuàng)開發(fā)的特地用于核能發(fā)電的壓力管式重水反應(yīng)堆，也叫CANDU（坎杜）堆。第一座示范CANDU堆于1962年建成并投入運(yùn)行。CANDU機(jī)組大部分建在加拿大，近年來進(jìn)展到韓國、阿根廷、羅馬尼亞和中國等6個(gè)國家。我國大陸已建成和在建共有11臺核電機(jī)組，其中秦山三期核電站的兩臺機(jī)組采納CANDU堆，其余都用壓水堆。

CANDU堆的核燃料加工成簡潔短小的燃料棒束組件，每根燃料棒長約50厘米，外徑約10厘米。堆芯由幾百個(gè)水平的壓力管式燃料通道組成，每個(gè)壓力管內(nèi)一般裝有12個(gè)燃料棒束組件。高壓冷卻水從燃料棒束的縫隙間沖刷流過，不斷把熱量帶出堆芯。冷卻水加了很高的壓力之后，溫度可以保持較高而不發(fā)生沸騰。在燃料通道外側(cè)的是低溫低壓的重水慢化劑，慢化劑與壓力管內(nèi)的高溫高壓冷卻水是分隔開的。核裂變產(chǎn)生的熱量從燃料棒傳遞到高壓冷卻水，冷卻水又在蒸氣發(fā)生器的U型管內(nèi)把熱量傳遞給管外的一般輕水，一般輕水沸騰所產(chǎn)生的高溫高壓蒸氣去驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。目前的重水堆核電站所使用的冷卻水是昂貴的重水，在新一代先進(jìn)重水堆設(shè)計(jì)中，冷卻水將采納輕水，而重水的用途只限于作慢化劑，因而絕大部分重水可以省掉。

CANDU堆由于它的燃料棒束組件簡潔短小，又加上反應(yīng)堆堆芯是水平管道式的，所以在更換燃料的時(shí)候不需要停堆。更換核燃料時(shí)，兩臺機(jī)器人式的換料機(jī)分別與一個(gè)通道的兩端對接，一臺換料機(jī)從一端將燃料棒束一個(gè)個(gè)通過燃料通道，順著冷卻劑流淌的方向推入堆芯；另一臺換料機(jī)在另一端接收卸出的乏燃料棒束。換料可以在反應(yīng)堆任何功率運(yùn)行時(shí)進(jìn)行，整個(gè)操作過程可在掌握室通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按預(yù)編程序遙控自動完成。不停堆換料帶來的好處是多方面的，它不僅避開了因更換燃料而需要較長時(shí)間的強(qiáng)制性停堆，更重要的是它供應(yīng)了一種強(qiáng)有力和敏捷的燃料管理手段，也能準(zhǔn)時(shí)把破損的燃料組件從堆內(nèi)取出。

CANDU堆簡潔短小的燃料組件設(shè)計(jì)，意味著燃料制造廠投資小，易于國產(chǎn)化，燃料生產(chǎn)成本低，燃料和相關(guān)運(yùn)行管理費(fèi)較低。全部進(jìn)展CANDU堆的國家，第一個(gè)機(jī)組建成后不久，很快都能實(shí)現(xiàn)燃料組件制造的本土化。中國包頭核燃料元件廠的重水堆燃料組件生產(chǎn)線已建成投產(chǎn)，將為秦山三期重水堆核電站供應(yīng)燃料。

CANDU堆具有高中子經(jīng)濟(jì)性的突出優(yōu)點(diǎn)。這一方面是由于重水慢化劑對中子汲取很少，另一方面由于不停堆換料、簡潔的燃料組件設(shè)計(jì)和堆芯中含有較少對中子有害的結(jié)構(gòu)材料也削減了中子的損失。高中子經(jīng)濟(jì)性意味著裂變所產(chǎn)生的中子鋪張較少，大多數(shù)用于引發(fā)新的裂變或者轉(zhuǎn)換產(chǎn)生新的易裂變核，從而可提高核燃料的利用率。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)使重水堆成為惟一可以利用自然?鈾作燃料的商用核電反應(yīng)堆。除了自然?鈾以外，重水堆也可以高效利用其他多種核燃料，包括低濃鈾、鈾钚混合燃料、壓水堆乏燃料、鈾或钚驅(qū)動的釷燃料等。另外，由于特別的堆芯結(jié)構(gòu)和反應(yīng)堆物理特點(diǎn)，CANDU堆在發(fā)電的同時(shí)還可以用來生產(chǎn)用途廣泛的鈷—60等同位素。

除了反應(yīng)堆本體之外，重水堆核電站與壓水堆核電站很相像，所以，多年來在進(jìn)展壓水堆核電站過程中所建立起來的技術(shù)基礎(chǔ)和制造力量，同樣可以用于進(jìn)展重水堆核電站。而且，重水堆避開了制造技術(shù)較簡單的浩大壓力容器，代之以制造相對簡單的壓力管。

為了滿意將來電力市場的需要，融合輕水堆和重水堆優(yōu)點(diǎn)的新一代核電反應(yīng)堆設(shè)計(jì)已經(jīng)消失。比如，加拿大原子能公司將在2022年底推向市場的先進(jìn)設(shè)計(jì)ACR，可望在單位造價(jià)上比目前這一代設(shè)計(jì)降低40％以上，建筑時(shí)間可以削減到36個(gè)月。該設(shè)計(jì)一方面保留了重水慢化堆的傳統(tǒng)特點(diǎn)和優(yōu)勢；另一方面像輕水堆一樣采納低濃鈾燃料和輕水冷卻劑。通過堆芯設(shè)計(jì)的重新優(yōu)化，不僅可顯著改善平安特性和縮小