10 第四代反应堆简介

IRIS Innovative Containment
✓ Spherical steel 25 meter
Diameter
✓ Design pressure 220 psig
Small elevated suppression
pool (150 m3 water) limits peak
pressure to 130 psig and
经济性高
高热效率 电站结构简单 可根据需要设计成大型或小型
高温、可用于制氢
International Reactor Innovative and Secure (IRIS)
Integral Pressurized Water
Reactor (335 Mwe)
Safety by Design Approach Innovative small high
整体试验的可测量性 源项 能量释放机理
SR3-2 事故缓解功能
长的系统响应时间 长和有效的支持功能
PR1 防扩散能力 和实体保护能力
PR1-1 对偏差或未知 产物的敏感性
PR1-2 电站薄弱环节
分离材料 乏燃料品质
非能动安全功能
第四代核电站的燃料循环
燃 料 处 理 方 式 （ 一 ）
典型第四代核电站
➢功率：>1000MW ➢一回路压力：
<0.5MPa ➢燃料：Na、Zr、U、
Pu的液体氟化物，锕 系燃料弥散在石墨中 ➢燃耗深度高、废物 产量非常的 ➢制氢
熔盐堆（MSR）主要参数
反应堆主要参数
冷却剂入口温度 冷却剂出口温度 压力 反应堆功率 燃料
平均功率密度 功率循环方式 可用中子频谱
参数值
储藏对环境的影响
燃料资源利用 废物数量 体积 热负荷 发射性
环境影响
经济性
安全、可靠性
防扩散能力 和实体保护 能力
EC1 寿命周期成本 EC2 投资风险 SR1 运行安全
及可靠性 SR2 堆芯破损
SR3 场外应急响应
EC1-1 建造成本
建造成本
EC1-2 生产成本
生产成本
EC2-1 建造时间 EC1-1建造成本
Pb-Bi
出口温度℃
～550
压力（大气压） 热功率
1 125-400
燃料
金属合金或氮化物
平均燃耗
（GWD/MTHM）
～100
转换比
1.0
主要流动情况
自然循环
参数值 Pb（近期）
Pb ～550
1 3600 金属合金 100-150
1.0-1.02 强迫循环
Pb（长期） Pb
750-800 1
400 金属合金
42
43
44
45
46
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48
49
50
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pressure containment
Starting pre-application review by US NRC
IRIS INTEGRAL PRIMARY SYSTEM CONFIGURATION
Enhances safety and economics
• Enables compact containment and small plant size Integral configuration eliminates loop piping and external components
640℃ 1000℃ 根据工艺而定 600MWth 块状、钉状、球状ZrC燃料 6-10 MWth/m3 >50%
非常高温气冷堆（VHTR）的主要特点
先进的燃料材料（碳化物、氮化物、金属陶瓷合 金等）
高可用性和运行灵活性 重要安全改进 高经济性 直接循环的能量转换
He作为冷却剂，出口温度>900℃
建造时间 建造成本
EC2-1 建造时间
建造时间
SR1-1 可靠度
强迫停堆频率
SR1-2 职工/公众的日常辐照 日常辐照
SR1-3 事故下职工/公众的辐照 事故下辐照
SR2-1 关键的安全功能
可靠的反应性控制 可靠的衰变热导出
重要现象-不确定性
SR2-1 好的安全分析模型 燃料的长期热响应时间
SR3-1 好的源项分析模型
钠冷快堆（SFR）的主要参数及特点
增殖堆，可使用可裂 变物质
能处理锕系元素和长 寿命放射性物质
高安全性
全裕量大 主系统压力接近大气压力
低废物产量
高燃料利用率
反应堆主要参数
出口温度 压力 热功率 燃料 包壳材料 平均功率密度 转换比 燃耗
参数值
530℃-550℃ ～1个大气压 1000-5000MWth 氧化物或金属合金 铁素体或ODS铁素体 100 MWth/m3 0.5-1.30 ～150-200 GWD/MTHM
第十章
第四代反应堆
1
第四代反应堆
2
为什么要发展第四代核电站
GFR LFR SFR MSR SCWR VHTR
第四代核电站的主要任务
第 四 代 核 电 站
的 技 术 目 标
四个目标域
可用性
8个目标
SU1 资源利用 SU2 废物最小化
及废物管理
15个标准
24个规定
SU1-1 燃料利用 SU2-1 废物最小化 SU2-2 废物管理及
发电效率高（>50%）
热化学水裂解 出口温度高，制氢、热量直接利用（原油精练和
石油化学工艺）
VHTR
超临界水堆（SCWR）
SCWR的技术发展
超临界水的概念
超临界水冷堆（SCWR）
一回路压力>22.1MPa 出口温度：510℃-550℃ 热效率：45% 发电功率：1700MWe， 运行压力为25Mpa
非常高温气冷堆（VHTR）
➢冷却剂：He ➢出口温度：1000℃ ➢热功率：600MW ➢燃料：燃料颗粒弥散 在石墨 ➢高非能动安全性 ➢高热效率 ➢制氢或热量利用
非常高温气冷堆（VHTR）主要参数
反应堆主要参数
冷却剂入口温度 冷却剂出口温度 压力 反应堆功率 燃料 平均功率密度 电厂效率
参数值
气冷快GFR堆芯设计
铅冷快堆（LFR）
冷却剂：Pb或者Pb/Bi合金 出口温度：550℃－850℃ 功率：50-1200MW 燃料：Multi-TRU 堆芯寿命：15-30年 堆芯部件可移动 可用于发电和制氢 高非能动安全性
铅冷快堆（LFR）的主要参数
反应堆 主要参数
Pb-Bi合金（近期）
冷却剂
气冷快堆（GFR） 铅冷快堆（LFR） 钠冷快堆（SFR） 非常高温气冷堆（VHTR） 超临界水堆（SCWR） 熔盐堆（MSR）
气冷快堆（GFR）
冷却剂：He或 CO2 出口温度：850℃ 热功率：600MW 电功率：288MW U-TRU陶瓷弥散燃料 安全系统：能动系统和 非能动系统相结合 热效率50%
钠冷快堆（SFR） 快中子 闭式
中/大
发电、锕系
R&D
燃料、材料、安全 燃料、材料兼容性
再利用改进
非常高温气冷堆 （VHTR）
超临界水堆 （SCWR）
熔盐堆（MSR）
热中子
热中子/ 快中子 热中子
开式
开式/ 闭式 闭式
中
发电、制氢、 燃料、材料、氢气产
供热
物
大
发电
材料、安全
大
发电、锕系 燃料、燃料处理、材
料、安全和可靠性
第四代核电站面临的技术课题
降低建造成本（尤其是资本费）； 改善安全性（尤其是公众的安全）； 为减少因废物处置政策的变更而出现的长期性经济脆弱 性，实现废物量的最少化； 减少核物质扩散的可能性。 从可持续发展的观点来看，第四代核电站必须寻求经济 因素、环境品质和社会责任的新平衡点。第四代核电站 必须对社会或公众所关心的或担心的问题作出明确回答 ，这些问题包括对安全性的关心、开放的或封闭的燃料 循环、地层处置的废物保存中长寿命发射性质对环境的 潜在威胁等等。
气冷快堆（GFR）的主要参数
反应堆主要参数
反应堆功率 净效率（直接氦气循环） 冷却剂入口温度 冷却剂出口温度 一回路压力 平均功率密度 燃料组成 体积百分比，燃料/气体/SiC 转换比 燃耗
参数值
600MWth 48% 490℃ 850℃ 90 bar 100 MWth/m3 UPuC/SiC(70%/30%)和约20%Pu 50％、40％、10% 自给自足 5% FIMA
provides gravity driven core
Makeup
✓ External air cooling of steel
shell
典型第四代核电站的比较
堆型
中子类型 燃料循 反应堆尺寸
特点
环
应用
气冷快堆（GFR） 快中子 闭式
中
发电、锕系、
制氢
铅冷快堆（LFR） 快中子
闭式
小/中/大 发电、锕系、 制氢
超临界水冷堆（SCWR）主要参数
反应堆主要参数
电站投资成本 冷却剂入口温度 冷却剂出口温度 压力 反应堆功率 燃料
平均功率密度 电厂效率 燃耗
参数值
＄900/kW 280℃ 510℃ 25MPa
1700MWth UO2、铁素体-马氏体不锈钢或
者镍合金包壳燃料 ～100 MWth/m3
44% ～45 GWD/MTHM
565℃ 700℃（制氢则850℃） <0.5 MPa
1000MWth Na、Zr、U、Pu的液体氟化物，
锕系燃料弥散在石墨中 22 MWth/m3 多重反馈再热氦气循环 热中子-锕系燃烧室
熔盐堆（MSR）的主要特点
快中子闭式燃料循环
废物低余热、低放射性 废物储藏能力的最优化使用 乏燃料再利用
引入多项安全理念，安全性高、运行 可靠
100
1.0 自然循环
铅冷快堆（LFR）的主要特点
Pb（或Pb-Bi合金）冷却剂
低中子吸收率 功率释放缓慢 常压下高沸点（～1700℃） 与空气、水低反应性
自然循环、非能动安全 简化的传热装置 简化的燃料循环方式 堆芯出口温度高（～800℃），可用于制氢
钠冷快堆（SFR）
冷却剂：钠 出口温度：550℃ 功率：150-1500MW 燃料：MOX、U-TRU氧 化物或者金属合金 冷却方式：池式冷 却或者回路冷却 低废物产量 高燃料利用率
超临界水冷堆（SCWR）的主要特点
燃料元件设计先进 高热效率 电站结构简单 经济性高 高安全性、运行稳定
SCWR的堆芯设计－日本
SCWR的堆芯设计－Uຫໍສະໝຸດ BaiduA
SCWR
堆内结构布置
SCWR的安全壳改进
SCWR的安全改进
SCWR系统改进
熔盐堆（MSR）
➢冷却剂：熔融氟化 物
➢出口温℃：700℃－ 800℃