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作者:黃偉 審協(xié)北京中心光電部 IP創(chuàng)新贏
原標(biāo)題:將小型反應(yīng)堆揣進(jìn)口袋可能嗎?
很多時(shí)候小編都驚詫于科幻電影里的超級(jí)英雄們?cè)谒矔r(shí)爆發(fā)出的巨大能量?能否有一天,我們也把反應(yīng)堆揣在自己的口袋里?
看過《鋼鐵俠》系列電影的朋友一定都知道,為整個(gè)鋼鐵俠供給能量的就是位于鋼鐵俠戰(zhàn)甲胸口處的這個(gè)小能量塊。
就是這個(gè)能量塊,能為鋼鐵俠瞬時(shí)提供大量的能量。能讓鋼鐵俠在空中翱翔,并用激光炮消滅敵人。
有人說:這就是未來的一個(gè)高度集成化的核聚變反應(yīng)堆。有了它,大家甚至可以像《X-Man》中的電光眼一樣,發(fā)射一道,哦不,是兩道高能激光!
然而,科幻電影中的超級(jí)裝備能走進(jìn)現(xiàn)實(shí)嗎?
目前,利用核能的小型設(shè)備常見的為放射性同位素電池,且多見于太空探索設(shè)備中。
例如:美國的阿波羅飛船
美國“好奇號(hào)”火星車
當(dāng)然,也包括我國的“嫦娥三號(hào)”月球車
這些同位素電池長啥樣?是什么原理?輸出功率是多少?壽命有多久?這些問題小編統(tǒng)統(tǒng)不知道,因?yàn)檫@些都是涉密的啊!但可以肯定的是:其輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于反應(yīng)堆!
將探月設(shè)備中發(fā)電科技轉(zhuǎn)化為民用可能為時(shí)尚遠(yuǎn)。
把核反應(yīng)堆裝到口袋里目前也是天方夜譚。
因?yàn)椋杭冣?35金屬球的臨界半徑要8.1cm,所以裂變堆放入口袋從尺寸上講已經(jīng)不可能。從尺寸上講,也許核聚變可以,但目前卻沒有那么薄的耐高溫材料,也沒有控制核聚變溫度的技術(shù)。
但是,如何將核電站建設(shè)的更小、更便捷、更安全、更經(jīng)濟(jì)卻是目前各電力巨頭關(guān)注的問題。今天我們也來探討一下這個(gè)問題!
放在口袋里的反應(yīng)堆目前是不可能的,但是放在家中的一間屋子里卻很快能成為現(xiàn)實(shí)!
環(huán)顧現(xiàn)在正在使用的核電站都是傍水而建??纯聪旅娴恼掌绻麤]有核電廠,一定能成為旅游勝地吧!
王安石在《游褒禪山記》中不是說過“世之奇?zhèn)ァ⒐骞?、非常之觀,常在于險(xiǎn)遠(yuǎn),而人之所罕至焉”。以前的核電站都建在的遠(yuǎn)離人口聚集區(qū),美景都在危險(xiǎn)處說的多有道理??!
同時(shí),“蔚為壯觀”的核電站建設(shè)周期也很長!世界核能協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)過,近60年來,全球600臺(tái)核電機(jī)組的建設(shè)周期平均為82.5個(gè)月。我的媽呀,接近7年!別忘了,這還只是建設(shè)周期,如果算上之前的選址、論證、審批等環(huán)節(jié)……,可以說每個(gè)核電站都是百年大計(jì)。
傳統(tǒng)大型核電站建設(shè)周期長,輸電距離遠(yuǎn)的缺點(diǎn),催生了把核電站和反應(yīng)堆小型化的訴求!這也就是很多科技公司正在致力于解決的事情。
俄羅斯人的解決方案是浮動(dòng)式核電站(Floating NPP),就是把反應(yīng)堆建在船上,哪里需要去哪里!俄羅斯第一艘漂浮式反應(yīng)堆“羅蒙諾索夫”號(hào)(下圖為效果圖)已經(jīng)開始建造,據(jù)傳近期將要投入運(yùn)營。
這樣的反應(yīng)堆可以用來為海水淡化、北冰洋破冰提供能源!中國其實(shí)也有相應(yīng)的計(jì)劃,并已經(jīng)立項(xiàng)在建。但是,這種反應(yīng)堆設(shè)計(jì)容量只有約35兆瓦!
35兆瓦的功率這什么概念?
舉個(gè)例子,根據(jù)報(bào)道:2013年7月28日,天氣酷熱的北京城當(dāng)天的用電量超過3億度電。大約需要360艘“羅蒙諾索夫”號(hào)才能勉強(qiáng)維持高峰期首都一天的用電需求。如果那樣的話,北京的昆明湖、未名湖、龍?zhí)逗?、青龍湖,昆玉河,通州大運(yùn)河……都要布滿這種船吧?
如此看來,反應(yīng)堆小型化的同時(shí)還要保證一定功率輸出才好。于是,模塊化反應(yīng)堆概念開始浮出水面,其中的代表是NuScale Power公司。
2017年3月15日,該公司正式向美國核管會(huì)(NRC,在美國建核電站須該機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)才行)提交先進(jìn)小型模塊化堆(SMR)設(shè)計(jì)方案認(rèn)證申請(qǐng),預(yù)計(jì)40個(gè)月能獲得許可證。
那NuScale Power公司的設(shè)計(jì)理念是什么呢?看圖吧!
這種模塊化組件可以方便的通過水路或陸路運(yùn)輸!
怎么樣,被嚇到了吧,妹紙?。?!
NuScale Power公司就是把核電站里的主設(shè)備集成在一起,最后用卡車頭和拖拽船背著跑,哪里需要去哪安裝,建設(shè)周期超短!
單個(gè)反應(yīng)堆模塊的功率雖只有45兆瓦,但多個(gè)模塊可以快速疊拼。例如,12個(gè)模塊組裝后就大約能夠滿足三亞的供電量一起運(yùn)行(據(jù)報(bào)道:三亞2015年日最高負(fù)荷56.6萬千瓦)。
來看看五個(gè)模塊組成的機(jī)組在廠房里的布置的效果圖——右邊那五個(gè)淹沒在冷卻水中的就是模塊哦。
再來欣賞一下NuScale模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,上升器形成熱管段區(qū)域(紅色箭頭部分),冷卻劑流經(jīng)蒸汽發(fā)生器后熱量被帶走,最終形成冷卻介質(zhì)自然往復(fù)循環(huán),這里的冷卻回路不借助主泵循環(huán),系統(tǒng)可靠性提升;將原來散落在安全殼里的主設(shè)備集成在一起,方便安裝使用。
除了NuScale Power公司,還有誰在做這方面研究呢? 國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明全球僅有三座先進(jìn)小型模塊化反應(yīng)堆在建(見下表),包括俄羅斯浮動(dòng)型反應(yīng)堆、清華大學(xué)的高溫氣冷堆和最早建設(shè)的CAREM堆(阿根廷)。除此之外,比較有名的(狀態(tài)見下圖)的還包括:美國的mPower堆、W-SMR和IRIS堆,以及我國的中核ACP100、廣核CAP150/200和ACPR50S幾種堆型。
盡管距離小型反應(yīng)堆的盈利甚至商用還有一定距離,但是專利布局早已經(jīng)開始了。以美國的三家公司為例:
而且,如果考慮到技術(shù)傳承。三家公司都是站在巨人的肩膀上,或者說有的甚至初始技術(shù)都是別的研究機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)讓的。
??? 巴威公司的mPower堆主要參考了Otto Hahn商船反應(yīng)堆設(shè)計(jì);
??? 紐斯高公司的NuScale堆是在俄勒岡州立大學(xué)的MASLWR設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上改進(jìn)完成的;
??? 西屋公司主導(dǎo)的W-SMR和IRIS堆也是傳承了其AP1000(先進(jìn)壓水堆,該公司自身的上一代產(chǎn)品)的技術(shù)特點(diǎn)。
三家公司的SMR設(shè)計(jì)各有特色,讓我們通過下圖來簡(jiǎn)單比較一下三種SMR堆型的模塊設(shè)計(jì)吧!
(圖中1-堆芯;2-控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu);3-蒸汽發(fā)生器;4-主泵;5-穩(wěn)壓空間)
與另外兩家相比,NuScale堆型省略了主泵。這樣的設(shè)計(jì)可謂是“瘋狂”,因?yàn)橹鞅玫淖饔迷谟隍?qū)動(dòng)冷卻劑循環(huán),為堆芯降溫!沒有主泵的堆型之前在業(yè)內(nèi)是不可想象的,也難怪該堆型一經(jīng)推出后,就博得了業(yè)界同行的刮目相看以及重點(diǎn)關(guān)注。
與上述種堆型均不同,我國的堆型也有獨(dú)到之處。以ACP-100為例,中核集團(tuán)下屬的中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院,早在2012年6月11日就在國內(nèi)申請(qǐng)了模塊式壓水堆的發(fā)明專利(中國發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)朇N201210189540.X)。
通過專利我們可以看到:模塊結(jié)構(gòu)很別致,穩(wěn)壓器4設(shè)置在模塊外部,采用磁力型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)6和垂直安裝主泵5(見下圖)。
中核ACP-100堆型相對(duì)于美國三家公司的堆型,是將其“5-穩(wěn)壓空間”和主體模塊分離開了,而且我們的主泵是外置垂直安裝的,美國的要么是內(nèi)置的、要么是橫置安裝的??此聘膭?dòng)簡(jiǎn)單,但整體指標(biāo)都得重新設(shè)計(jì)。因?yàn)榉磻?yīng)堆是個(gè)系統(tǒng)工程,任何改動(dòng)都是致命的;這種牽一發(fā)而動(dòng)全身的領(lǐng)域,稍作改動(dòng)意味著重新設(shè)計(jì),重新進(jìn)行全盤驗(yàn)證。在這里,小編要為中國核工業(yè)的科研人員們點(diǎn)贊!
目前,世界各國的多個(gè)團(tuán)隊(duì)都在緊鑼密鼓的對(duì)小型堆進(jìn)行研發(fā)。為了和最先提出的SMR設(shè)計(jì)概念形成差異,各個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)都使出了渾身解數(shù),在反應(yīng)堆的各個(gè)局部進(jìn)行著痛苦地改進(jìn)。對(duì)這些改進(jìn)的專利布局也正悄然進(jìn)行著,也許這正是未來全球核電專利戰(zhàn)爭(zhēng)的序曲。
反應(yīng)堆離大家的生活看似很遠(yuǎn),其實(shí)很近。說它遠(yuǎn)是因?yàn)榇蠹铱赡芸床灰娒恢?,說它近是因?yàn)槔习傩彰刻於荚谟秒姡绻蹅儧]有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),也許你交的每度電費(fèi)里有一毛就是交給別人的專利許可費(fèi)。加油中國核電!
來源:IPRdaily中文網(wǎng)(IPRdaily.cn)
作者:黃偉? 審協(xié)北京中心光電部
編輯:IPRdaily.cn 趙珍
校對(duì):IPRdaily.cn 縱橫君
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