高温气冷堆实习报告1.docx

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高温气冷堆实习报告1

高温堆相关技术及安全性

摘要：

以清华大学核研院10MW高温气冷堆为基础，简要地介绍高温堆的应用及其安全性，高温堆的使用现状及其应用前景等。

经过科学的分析和大量的实验经验验证了：

高温气冷堆较其他堆型是具有较强竞争力的。

关键词：

高温堆安全性

一、高温堆的的简介

高温气冷堆是采用耐高温的陶瓷型涂敷颗粒燃料、用化学惰性和热工性能良好的氦作冷却剂、用耐高温的石墨作慢化剂和结构材料、冷却剂出口温度可达750~950℃的核反应堆，甚至更高。

高温气冷堆具有热效率高（40%~41%），燃耗深（最大高达20MWd/t铀），转换比高（0.7~0.8）等优点。

由于氦气化学稳定性好，传热性能好，而且诱生放射性小，停堆后能将余热安全带出，安全性能好。

其核燃料一般采用高浓二氧化铀，亦有采用低浓二氧化铀的。

根据堆芯形状，高温气冷堆分球床高温气冷堆和棱柱状高温气冷堆。

人们通常把五、六十年代建造的验证性核电站称为第一代；70、80年代标准化、系列化、批量建设的核电站称为第二代；第三代是指90年代开发研究成熟的先进轻水堆；第四代核电技术是指待开发的核电技术，其主要特征是防止核扩散，具有更好的经济性，安全性高和废物产生量少。

第四代核反应堆的六个构型中，就有高温气冷堆，这是一个很有前途的方案，现行的高温气冷堆有两个流派：

石墨球床和柱状燃料的，前者的使用者是中国和南非，后者是美、俄和日本喜欢的，这里着重说一下我国的石墨球床堆电厂的技术特点。

石墨球床堆也叫卵石堆，最早是德国在本世纪60年代建成了原理堆，由于技术和需求的限制，30年没有大的发展，直到上个世纪90年代，国际能源危机的压力日趋严重，南非和中国先后开始了对这一技术的现代化研究和实用化探索，分别是南非国营电力设计的PBMR（400MW热功率）和中国原子能技术研究院设计的HTR-PM（460MW）。

两者的设计都已经基本完成，其间中国完成了清华大学10Mw原理堆（HTR-10）的建造和运行工作，HTR-10已经并网多时了。

二、HTR-10结构及主要部件

我们知道，所有的核电站都由几个部分组成：

1：

堆芯，核燃料在此低速燃烧，产生热量。

2：

冷却回路，堆芯产生的热量通过回路里的介质传导出去，使得堆芯保持一个稳定的反应温度，持续工作。

3：

发电机组，把冷却回路中的热量通过汽轮机的方式转换成电能。

先说说燃料组件，石墨球床气冷堆的燃料组件大大不同于传统的核燃料组件，你可以把它看成一个西瓜，外壳是硬化的石墨材料，相当于西瓜皮，里面是稍微松散的石墨填料，相当于西瓜瓤，在西瓜瓤里均匀分布着一些以UO2为主要成分的西瓜子，这就是真正的核燃料颗粒，顺便说一下，这个瓜子有个用陶瓷做的瓜子壳，而UO2则相当于瓜子仁。

这个西瓜结构的燃料组件直径是6厘米——无论颜色还是尺寸都很像我国北方常见的煤球。

我们就暂时把它称作“煤球”好了。

在反应堆的堆芯里面（多是一个环形的圆柱体），这些煤球就真的和煤球炉子里一样，直接填充进去就好了，在一定的温度下，瓜子仁里面的核燃料开始裂变反应，产生热量，煤球里面的石墨起到慢化作用，保持链式反应的稳定运行，正常情况下，这些煤球的温度是900摄氏度左右。

几何知识告诉我们，一堆球球堆在一起，他们的周围就自然而然的形成了均匀的空隙，这些空隙就是堆芯内部的冷却空间，我们在堆芯的一端注入高压氦气，另一端让高压氦气流出，快速流过煤球空隙的氦气带走了多余的热量，就构成了堆芯冷却的第一回路。

900摄氏度的高压氦气从反应堆中出来之后，有两个途径，一是继续经过一个水冷回路，把水加热成蒸汽，推动汽轮机带动发电机发电，更先进一些的就是直接用氦气透平机组把热能转换成机械能，带动发电机。

冷却后的氦气继续打回堆芯，就构成了完整的换能循环过程。

HTR-10全陶瓷型包覆颗粒球形燃料元件示意图

反应堆堆芯区是一个由石墨反射层围成,直径为180cm、高度约为240cm的具有锥形底部的圆柱形腔室,内装燃料元件约27000个,其活性区体积约5m³，活性区等效高度为197cm，上部约有40cm高的空腔，形成活性区上表面燃料元件的自由堆积面。

堆芯上部设有燃料元件装入管,在堆芯底部有一个直径为500mm的燃料元件卸料管,用于连接装入和卸出燃料元件。

并且堆内具有石墨块和碳砖结构，石墨反射层结构分为顶部反射层、侧反射层和底部反射层3部分；由内向外又分为内层石墨反射层和外层含硼碳砖结构,内层石墨结构主要作为活性区的中子反射层,外层碳砖因其导热系数小,且含有热中子吸收材料硼,因此碳砖层具有隔热和吸收热中子的作用。

整个反射层结构在高度方向由15层石墨块与碳砖组成,每层石墨块和碳砖在圆周方向又分成20块,各石墨块之间由石墨键销联接,起到定位和减少氦气漏流的作用,并使石墨砌体形成一个整体结构。

侧反射层内侧靠近活性区的位置开有20个孔槽,其中10个为直径130mm的控制棒导向孔,7个为长圆形孔槽,用于吸收球停堆系统,另外3个为直径130mm的材料辐照孔道侧反射层外侧开有20个冷氦气流动孔道。

底部反射层石墨形成倾斜角为30°的活性区锥形底部,中央是直径为500mm的卸料管,这样使燃料元件容易从堆芯流出且不形成“死区”。

底部反射层含有热氦气出口联箱,温度不均匀的热氦气在联箱中充分混合后经热气导管进入蒸汽发生器。

另外，HTR-10设置两套独立的停堆系统,即控制棒系统和吸收球停堆系统。

控制棒系统由设置在侧反射层孔道内的10根吸收棒组成,其吸收体是长度为2200mm、直径为100mm的烧结B、C环形块,棒外径为110mm,包壳材料采用不锈钢控制棒的驱动机构装设在压力壳顶盖上面,它采用电机驱动和减速装置相连接的链条机构,控制提升或下降在失去电源时控制棒可以在重力作用下落到其最低位置,使反应堆停堆。

控制棒系统的反应性当量能满足功率调节、热停堆和长期冷停堆的要求。

吸收球装置是第二停堆系统,在控制棒系统发生全部失效事故时,依靠吸收球系统可以使反应堆由热态最终达到冷态次临界状态,确保反应堆的安全性。

吸收球装置设在反应堆压力壳内,直径为5mm的含硼吸收球放置在堆芯上部的贮存罐中,当需要投入此系统时,吸收球可依靠重力落入侧反射层槽内,使反应堆停堆。

当第一停堆系统恢复正常功能,堆要重新启动时,吸收球可以通过气体输送系统回送至堆顶贮存罐内,使之处于备用状态。

同时，HTR-10采用球形燃料元件连续装卸料运行方式,燃料装料管通过压力壳从堆芯上部将燃料元件装入堆芯,燃料元件在堆芯球床中按不同流线和速度由上向下流动,由堆芯的锥形底部通过直径为500mm的卸料管排到堆外,燃料元件通过设置在压力壳外的碎球分离器将形状或尺寸不符合要求的元件和碎片分选出来,送至碎球罐贮存,其他元件通过燃耗测量装置进行燃耗测量,将未达到设计嫩耗值的元件重新装入堆芯作再循环,将另一部分已达到设计燃耗的元件输送到乏燃料贮存库储存在反应堆额定功率运行期间,每天循环的燃料元件总数为125个,其中需加入堆芯的新燃料元件和相应的需卸出的乏燃料元件各为25个。

在整个燃料循环中,除了将元件通过输送管道送至堆芯上部是要靠气动输送外,其余部分均借助重力作用通过竖直或倾斜的管道自由滚动到系统的各个部位。

反应堆压力壳为立式圆柱形壳体,内径4100mm,总高度约10250mm。

筒体部分壁厚为70mm。

压力壳顶盖与下部筒体用法兰联接,并采用Ω环焊接密封结构。

压力壳顶盖上设有控制棒驱动机构的接管和材料辐照孔道的接管结构,压力壳上还设里有燃料卸料管、吸收球系统输气管和测量仪表管的接头或贯穿件其侧面在热气环道高度上设有直径为900mm的大孔,用法兰与热气导管压力壳相接压力壳的4个支撑架均匀地装在热气导管接口中心线的位置上,支撑架被固定在一回路混凝土舱室壁上。

10MW高温气冷实验堆的总体结构示意图

在国家“863”计划的支持下，2000年12月，清华大学核研院建成了“模块式球床”10兆瓦高温气冷实验堆（HTR—10）。

经过两年的调试，于2003年1月成功地实现了72小时连续满功率运行并网发电。

HTR－10是世界上第一座投入运行的具有模块式结构设计的球床高温气冷堆。

三、一回路主要部件

1、热气导管

热气导管为一根内径为300mm的管内外绝热的管道,管内通过700℃热氦气,管外与热气导管压力壳组成的环形流道通过250℃冷氦气。

热气导管的一端与堆芯底部热氦气环道和堆芯筒体相连,另一端接到燕汽发生器的氦气入口端。

由于管内与管外流体温差很大,为减小管内外的传热量,热气导管壁的管分内外两层,两层之间充以耐高温的绝热材料。

内管的内径为300mm,用5mm厚耐热合金钢板卷焊而成,内管的材料选择考虑了氮气提高到950℃运行的可能性。

外管作为绝热层材料和内管壁的支承结构和冷热氦气的密封隔离结构,其工作温度接近于冷氦气温度。

考虑到热补偿的要求,外管壁两端分别与可伸缩的波纹管相焊接。

热气导管的外管壁还要承受一定的外侧气体压差,其值低于主循环风机的扬程。

2、蒸汽发生器

蒸汽发生器的作用是把反应堆发出的热量由一回路冷却剂氦气传到二回路,产生蒸汽用于发电和供热。

它分隔并联结一、二回路,是防止带有放射性的一回路冷却剂对二回路污染的主要屏障。

HTR-10蒸汽发生器采用单头螺旋管组件式结构,它由37个管组件构成。

传热管采用Φ18*3的管,管长约27m,总传热面积约56㎡,。

考虑到HTR-10在第二阶段氦气温度将提高到950℃,需设置中间换热器用于高温工艺供热试验,方案设计中采用了蒸汽发生器与中间换热器一体化的结构,即中间换热器组件布置在中央部分,蒸汽发生器组件布置在周围的环形空间,在结构设计上考虑了第一期过渡到二期时在制造、安装和运行上的工程衔接。

3、氮循环风机

一回路氦循环风机为一台立式单级离心风机,叶轮在轴的下端,风机与其驱动电机同轴,风机的进口管处设有隔离阀,在风机停止后即关闭此隔离阀,以避免一回路氦气形成自然循环,保护风机部件不致过热。

风机的进口管与蒸汽发生器的冷氦气出口管相接,使风机与蒸汽发生器组成一体化结构,并装置于同一压力壳内。

氦循环风机的工作压力为3.0MP,压力升值为60kMP,工作温度为250℃,额定流量为4.3kg/s。

风机的转速可在10%-100%额定转速范围内调节,并通过调节转速来调节风机的流量,以满足反应堆各种运行工况的要求。

HTR-10主要设计参数

反应堆热功率

10MW

一回路氦气压力

3Mpa

堆芯出口氦气温度

700℃

堆芯入口氦气温度

250℃

一回路氦气流量

4.3kg/s

燃料

UO2

U235加浓度

17%

平均燃耗

80000MWd/t

蒸汽发生器出口蒸汽压力

4Mpa

蒸汽发生器出口蒸汽温度

440℃

蒸汽发生器给水压力

104℃

蒸汽流量

12.5t/h

燃料元件形式

球形

燃料元件最高容许温度限值

1600℃

燃料元件最高设计温度限值

1200℃

堆芯活性区体积

5m³

堆芯平均功率密度

2MW/m3

堆芯内燃料元件总数

27000个

堆芯最大快中子通量

1.75*1015n/cm2

堆芯最大热中子通量

3.43*1015n/cm2

四、高温气冷堆原理

XX文库-让每个人平等地提升自我高温气冷堆采用的是由耐高温的陶瓷型涂敷颗粒燃料组成的球形燃料元件,以化学惰性和热工性能良好的氦气（He）作为冷却剂,耐高温的石墨作为慢化剂和堆芯结构材料。

其中,涂覆颗粒燃料为直径只有0.9mm的微型小球,其核芯为直径0.5mm的UO2的颗粒,UO2颗粒外包覆了一层低密度热介碳,两层高密度热介碳和一层碳化硅。

包覆层将UO2颗粒中产生的裂变产物充分地阻留在包覆颗粒内,并能承受气体裂变产物产生的内压力。

球床高温气冷堆堆芯由球形燃料元件和石墨反射层组成。

直径约60mm的球形燃料元件从堆芯顶部连续装入堆芯,同时从堆芯底部卸料管连续卸出燃料元件。

卸出的燃料元件如果未达到预定的燃耗深度,则再送回堆内使用,使每个燃料元件的燃耗深度基本一致,从而实现了不仃堆装卸料。

这样既大大提高了电站的负荷因子,又无需储备补偿燃耗所需的反应性,即后备反应性小（<1.0%）,从而大大提高了反应堆的安全性。

五、主要技术特点

1.安全:

俗称“傻瓜堆”。

即在任何事故情况下,包括丧失所有冷却的情况下,不采取任何人为的和机器的干预,反应堆都能保持安全状态,即所谓的“固有安全性”。

由于球床堆芯功率密度低,并具有较高的温度负反应性效应,在所有运行和事故工况下,堆芯燃料元件的最高温度不会超过1600℃。

实验证明在1600℃以下致密的炭化硅包覆层仍可保持其完整性,能使气态和金属的放射性裂变产物阻留在燃料颗粒内。

在安全防护上采取多屏障设计阻止放射性物质向环境释放。

即使在一回路冷却剂失冷失压的事故工况下,其余热仍可完全借助热传导、热辐射和自然对流等方式非能动地载出,使堆芯自然冷却。

这种非能动式的余热排出系统设计使得高温气冷堆具有固有安全特性。

并且,这已经在2004年9月30日清华大学核能院对10MWt高温气冷实验堆进行的固有安全性实验中得到了验证。

2.高效:

高温气冷堆采用超临界透平发电系统和不停堆装卸料技术,发电效率、负荷因子高,经济性好。

高温气冷商用堆发电热效率可达43～47%（压水堆一般为33～35%）。

根据南非国家电力公司（ESKOM）提供的117Mwe高温气冷商用堆PBMR设计性能参数,其设备年利用率可达98.6%（压水堆一般为80%）。

3.经济:

高温气冷堆系统简单,采用模块化标准设计,可大幅缩短工期并适合群堆建设,降低后续工程的建设费用。

据南非ESKOM电力公司提供的PBMR商用堆群堆建设费用（1000美元/千瓦）和国内媒体关于我国第一座高温气冷堆商用示范核电站建设投资的报道,笔者认为,模块化高温气冷堆每千瓦比投资将会低于压水堆。

另一方面,更高的热效率、高负荷因子和核燃料的高燃耗（约为压水堆的一倍）,可降低核电站的折旧成本和燃料成本,大幅提高了核电站的经济性。

由于其固有安全性,允许建在靠近城市人口较为稠密的地区。

这为我省内陆行将退役的火电厂改建提供了可能性（其可行性尚待论证）。

4.用途广:

一次工质温度可达700～1000℃是高温气冷堆的一大特点和技术优势,它不仅可用于高效率发电,还可以作为高温工艺热的核热源,用于煤的气化、液化等工艺。

尤其是高温堆可以发挥其特有的优势,为制氢工业提供清洁、廉价的核热源,形成无污染、无排放的能源链。

5.燃料适应性强:

高温堆可以采用铀钍循环,把非裂变材料钍转化成易裂变材料U233。

好的堆芯设计可以做到核燃料转化比大于1.0,实现核燃料的增殖。

我国的铀矿资源并不丰富,贫矿多,富矿少;中小矿多,大矿少。

然而,我国是世界上少有的几个钍资源非常丰富的国家。

因此,从核能可持续发展所需的燃料供应体系的战略研究出发,开发高温气冷堆对于我国核能工业长期可持续发展具有深远的意义。

六、安全性

清华实验堆HTR-10，结构是2回路的，1回路氦气，2回路水。

热功率460Mw，电功率200Mw。

这种结构下最严重事故有两类：

1回路跑气和2回路的水跑到1回路去。

1回路跑气的情况，只要进气口和出气口不同时彻底断掉，堆芯是接触不到空气的，所以石墨球还是不会被氧化，即使两端同时断掉，石墨被氧化的周期是3个小时以上，除非吹纯阳，才可能导致石墨材料的剧烈燃烧。

根据清华实验堆的数据，在最严重的跑气，堆芯彻底失冷，控制棒卡住下不来，且燃料都是新装的（有劲儿）的情况下，30秒之内，燃料组件就达到了热平衡最大值，温度是1030度左右，而“瓜子壳”的承受能力是1600，所以除非此时用球磨机磨燃料球，UO2还是跑不出来，而此后就是温度继续下降，负反应最终接触链式反应。

即便是堆芯彻底漏气，空气完全取代氦气，有个计算，貌似是3天之后人工干预，只有2.5%左右的燃料颗粒，也就是“瓜子”能彻底暴露出来，而没有机械损伤的话，保护壳不会破裂，UO2还是出不来，形成的只是中子污染和铯134之类的逃逸。

而只要反应堆的壳子不坏（之间还有石墨耐热衬层）。

此种极限事故的辐射是周边2KM人群<5个毫西佛特，而医院X光师的环境，也要10-20个毫西佛特/小时的。

煤球核燃料的后处理是所有核装料中最好处理的，原因有4，1是首先燃烧深度大，可达90%以上，这是成型燃料组件做不到的，2是燃料颗粒外面的陶瓷保护层，大多数情况下可以隔绝可能的泄露，这也是成型组件做不到的，3是球球很小，你可以一个球一个球的拿机器彻底检查它的辐照结果，作为深度处理的依据，这还是成型组件做不到的，4石墨是非常稳定的，不怕腐蚀，机械强度也高，埋起来安全得多，这还是成型组件做不到的。

下面我就说说它为什么巧妙

首先，他的燃料组件尺寸很小，精度要求也不高，制造起来就容易得多。

其次，堆芯的结构很简单，简直就是一个高精度的煤球炉子，只要容纳燃料球就好了。

第三，他的冷却热质是氦气，好处有三：

惰性气体，不用担心污染的传递，即使泄露也没事；单一的气体工质，不用复杂的流体控制理论；气体温度很高，高达900度，而压水堆则只有300-400度，未来的超临界堆也不过500多度，所以效率不比压水堆低。

这就大大简化了冷却回路的复杂性，甚至只要氦气透平机过关，一个回路就可以了，而压水堆由于必须隔离污染的一次循环水，必须设计成两个回路。

由于工质是“干净”的，不必考虑管路中子脆化的问题，高温气冷堆的回路造价和使用期限以及维护成本都低得多。

第四，球床气冷堆简直就是一个烧核燃料的煤球炉子，换燃料的方式很简单：

把烧完的煤球从炉子下面放出去，新的煤球从上面倒进去就完了，不用停堆换组件。

不仅如此，气冷堆还有先天的安全性，几乎是“绝对安全”的，核电事故说白了就一种，那就是堆芯因为温度过高而融化，进而破坏安全设施，造成核泄露。

由于球床燃料的结构特点，这是不会发生的。

前面我们说了，燃料煤球里面的瓜子壳是陶瓷材料，瓜子仁是UO2燃料，这个壳可以承受1600度的温度，正常情况下，外面的石墨“瓜瓤”的温度是900度左右，一旦作为冷却的氦气停止供应了，煤球的温度就会升高，“瓜瓤”的温度也会升高，由于瓜瓤比瓜子多得多，会迅速带走瓜子表面的温度，向外界辐射出去，保证“瓜子壳”不会超过极限的1600度。

所以堆芯是不可能融化的。

清华的示范堆就曾经不止一次表演过在不插入控制棒的情况下停止冷却的氦气泵，整个堆芯迅速达到热平衡，进而安全停堆。

如果说第三代压水堆AP-1000的非能动安全设计还依赖于一套需要维护的安全设备的话，高温气冷堆连这套设备也省了。

所以说，这种设计不再需要能耐压的安全壳，不再需要冗余的安全设备，甚至可以简化成一回路设计，大大降低了成本。

做成模块化的电站，由于其独有的安全性，甚至可以在大城市周边直接安装使用。

球床气冷堆的造价优势和安全优势说过了，此外还有他的效率优势，就是电效率超过40%，大大高于哪怕是三代的压水堆，甚至四代的超临界堆，这就进一步降低了发电成本。

此外，由于热效率高，气冷堆的供热优势也十分明显，未来无论是高温裂解天然气制取氢气还是高温电解水制取氢气，900度的高温热源都是必不可少的。

此外，球床气冷堆的优势还在于它的燃料燃烧十分充分，后处理成本低，模块化的气冷球床电站你可以给任何人用，而不必担心核废料被做成脏弹搞恐怖袭击。

至于球床堆的缺点，那就是对于气冷回路的加工要求很高，氦气透平机的功率不易做大（不过没关系，我们可以并联若干个小的，一样用），而气冷堆的功率密度远远小于压水堆（当然了，冷却工质是气体，怎么可能小得了），这对于发电堆来说不是什么缺点，但是对于动力堆却是致命的，也就是说，气冷堆上潜艇之类的传闻，完全是无稽之谈了。

相对于球床气冷堆，另一种流派就是柱状燃料的气冷堆，不同之处就是把燃料做成柱状，也就是大块的石墨里面有很多小洞，小洞里镶嵌包裹陶瓷外壳的UO2燃料线。

这样的优势是效率更好一些，电效率可以接近50%，且单堆功率容易做大。

缺点是组件制造要求高，无法不停堆换燃料。

后一种流派的代表是日本、美国和俄罗斯，日本设计了GTHTR300，单堆热功率高达600Mw，比体积差不多的中国HTR-PM大了1/3，俄罗斯和美国也联合设计了GT-MHR，与日本的类似。

日本的30Mw柱状燃料高温气冷堆HTTR也已经投入了并网运行。

总之，与一般的反应堆不同，清华大学核研院设计建造的10兆瓦高温气冷堆是一种新型的反应堆，不仅保证了先进性和安全性，经济效益也很突出。

首先，高温气冷堆具有固有的安全性。

它的反应控制和压力调节简单，安全系统大为简化。

高温气冷堆是四代核电中最接近使用的一种方案，优点是安全性和成本，缺点是没有技术的沿革，很多地方需要重头做起（其他方案，例如超临界堆，我们可以看作压水堆的进化），这就需要建设示范堆来逐步摸索经验，找出不足，进一步修正商用堆的设计。

不过可以肯定的是，在经济上高温气冷堆绝对可以和普通的热电厂一争高下。