高溫氣冷堆的技術及裝備

1、 高溫氣冷堆的技術及裝備 隨著經濟社會發(fā)展，人類對能源需求日漸增多。但傳統(tǒng)化石能源有著污染大，不可再生的缺陷，并且儲量日益減少。核能為人類提供了一個清潔，取之不盡用之不竭的能源寶庫，到現(xiàn)在為止已有四代核電技術的歷史， 人們通常把五、六十年代建造的驗證性核電站稱為第一代；70、80年代標準化、系列化、批量建設的核電站稱為第二代；第三代是指90年代開發(fā)研究成熟的先進輕水堆；第四代核電技術是指待開發(fā)的核電技術，其主要特征是防止核擴散，具有更好的經濟性，安全性高和廢物產生量少。第四代核反應堆的六個構型中，就有高溫氣冷堆， 高溫氣冷堆是國際公認的具有先進技術的新型核反應堆，我國的高溫氣冷堆研究技術處于國

2、際領先地位。其主要特點是固有安全性能好、熱效率高、系統(tǒng)簡單。目前已成功地建設了10MW實驗電站，并完成了多項安全性實驗工作，在向商業(yè)化轉化的過程中，得到國家有關部門的大力扶持。項目已經列入國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要和中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要。 傳統(tǒng)核反應堆存在建造周期長，相對效率較低，安全性不高成本高的不足。自從前蘇聯(lián)切爾諾貝利電站發(fā)生核泄漏事故以后，人類更希望有更安全的利用核能的方式。高溫氣冷堆是在以天然鈾為燃料、石墨為慢化劑、CO2為冷卻劑的低溫氣冷堆的基礎上發(fā)展起來的，具有固有的安全性，使得反應堆輔助系統(tǒng)減少，有效降低了成本并且擁有很高的效率。高溫氣冷堆

3、是現(xiàn)有堆型中工作溫度最高的堆型，可以廣泛應用于需要高溫高熱的工業(yè)部門。高溫氣冷堆作為第四代核反應堆具有廣闊的應用前景。1.高溫氣冷堆的組成結構及其工作原理 通俗地說，反應堆就是“原子鍋爐”， 是通過控制核燃料的反應來產生原子能的裝置。通常，反應堆的核燃料是鈾235，在中子的作用下能夠產生核裂變。一個鈾235原子核吸收一個中子以后，會分裂成兩個較輕的原子核，以熱的形式釋放出能量，并產生兩個或者三個新的中子。在一定的條件下，新產生的中子會引發(fā)其它的鈾235原子核裂變，這種反應延續(xù)下去，就是“鏈式裂變反應”。要形成“鏈式裂變反應”，不僅鈾235要達到一定數(shù)量，還必須用慢化劑把高能量的中子減慢為“熱”

4、中子?？刂品磻阎泻巳剂系姆磻购四芫徛尫牛⒂幂d熱劑從反應堆中導出熱量，就能對核能加以利用。高溫氣冷堆是一種用氦氣作冷卻劑的先進核反應堆，采用全陶瓷型球形燃料元件（核燃料經20多道工序加工成直徑為6cm的球狀物），冷卻劑即為氦氣，慢化劑和結構材料采用石墨，堆芯最高溫度達到1600攝氏度。反應堆可采用模塊化方式制造，建造時就像搭積木般，能隨時連續(xù)地裝卸核燃料和不定期停堆拆卸更換，因而和其它反應堆相比，可用率約高達45以上。高溫氣冷堆的堆芯核燃料由低富集鈾或高富集鈾加釷的氧化物（或碳化物）制成直徑約200微米的陶瓷型顆粒核心，外面涂上23層熱解碳和碳化硅，涂層厚度約150200微米，構成直徑約

5、為1毫米左右的核燃料顆粒。然后將顆粒彌散在石墨基體中壓制成球形或柱形燃料實體。堆芯通常由球形燃料和石墨反射層組成。直徑60mm的球形燃料由堆頂部連續(xù)裝入堆芯，同時從堆芯底部卸料管連續(xù)卸出乏燃料球。卸料的燃料球經過燃耗測量后，將尚未達到預定燃耗深度的燃料球再次送回堆內使用。反應堆堆芯內裝有約360000個燃 料球，燃料球在堆內平均經過10余次循環(huán)。反應堆有兩套控制和停堆系統(tǒng)，均設置在側向反射層內。第一套控制系統(tǒng)用于功率調節(jié)和反應堆熱停堆。第二套是小球停堆系統(tǒng)，吸收體小球直徑為10毫米的含碳化硼的石墨球，用于長期冷停堆。圖為球床高溫氣冷堆。氦氣冷卻劑由循環(huán)鼓風機輸送，從反應堆底部進入堆芯，通過燃料

6、石墨球的間隙，冷卻燃料球氦氣沿高度方向被加熱，出口溫度可大于750。高溫氦氣進入蒸汽發(fā)生器，將熱量傳給二回路給水，使二回路變成為蒸汽。高溫蒸汽送汽輪機做功發(fā)電。另一種方式是將從堆芯出來750度的高溫氮氣作為工質直接送入氦氣輪機做功發(fā)電。2.我國高溫氣冷堆的現(xiàn)狀以及優(yōu)點現(xiàn)行的高溫氣冷堆有兩個流派：石墨球床和柱狀燃料的，前者的使用者是中國和南非，后者是美、俄和日本喜歡的，這里著重說一下我國的石墨球床堆電廠的技術特點。 石墨球床堆也叫卵石堆，最早是德國在本世紀60年代建成了原理堆，由于技術和需求的限制，30年沒有大的發(fā)展，直到上個世紀90年代，國際能源危機的壓力日趨嚴重，南非和中國先后開始了對這一技

7、術的現(xiàn)代化研究和實用化探索，分別是南非國營電力設計的PBMR(400MW熱功率)和中國原子能技術研究院設計的HTR-PM(460MW)。兩者的設計都已經基本完成，其間中國完成了清華大學10Mw原理堆(HTR-10)的建造和運行工作，HTR-10已經并網多時了。我們知道，所有的核電站都由幾個部分組成：1：堆芯，核燃料在此低速燃燒，產生熱量2：冷卻回路，堆芯產生的熱量通過回路里的介質傳導出去，使得堆芯保持一個穩(wěn)定的反應溫度，持續(xù)工作。3：發(fā)電機組，把冷卻回路中的熱量通過汽輪機的方式轉換成電能。先說說燃料組件，石墨球床氣冷堆的燃料組件大大不同于傳統(tǒng)的核燃料組件，你可以把它看成一個西瓜，外殼是硬化的石

8、墨材料，相當于西瓜皮，里面是稍微松散的石墨填料，相當于西瓜瓤，在西瓜瓤里均勻分布著一些以UO2為主要成分的西瓜子，這就是真正的核燃料顆粒，順便說一下，這個瓜子有個用陶瓷做的瓜子殼，而UO2則相當于瓜子仁。這個西瓜結構的燃料組件直徑是6厘米無論顏色還是尺寸都很像我國北方常見的煤球。我們就暫時把它稱作“煤球”好了。在反應堆的堆芯里面（多是一個環(huán)形的圓柱體），這些煤球就真的和煤球爐子里一樣，直接填充進去就好了，在一定的溫度下，瓜子仁里面的核燃料開始裂變反應，產生熱量，煤球里面的石墨起到慢化作用，保持鏈式反應的穩(wěn)定運行，正常情況下，這些煤球的溫度是900攝氏度左右。幾何知識告訴我們，一堆球球堆在一起，

9、他們的周圍就自然而然的形成了均勻的空隙，這些空隙就是堆芯內部的冷卻空間，我們在堆芯的一端注入高壓氦氣，另一端讓高壓氦氣流出，快速流過煤球空隙的氦氣帶走了多余的熱量，就構成了堆芯冷卻的第一回路。900攝氏度的高壓氦氣從反應堆中出來之后，有兩個途徑，一是繼續(xù)經過一個水冷回路，把水加熱成蒸汽，推動汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電，更先進一些的就是直接用氦氣透平機組把熱能轉換成機械能，帶動發(fā)電機。冷卻后的氦氣繼續(xù)打回堆芯，就構成了完整的換能循環(huán)過程 下面我就說說它為什么巧妙： 首先，他的燃料組件尺寸很小，精度要求也不高，制造起來就容易得多。 其次，堆芯的結構很簡單，簡直就是一個高精度的煤球爐子，只要容納燃料球就好

10、了。 第三，他的冷卻熱質是氦氣，好處有三：惰性氣體，不用擔心污染的傳遞，即使泄露也沒事；單一的氣體工質，不用復雜的流體控制理論；氣體溫度很高，高達900度，而壓水堆則只有300-400度，未來的超臨界堆也不過500多度，所以效率不比壓水堆低。這就大大簡化了冷卻回路的復雜性，甚至只要氦氣透平機過關，一個回路就可以了，而壓水堆由于必須隔離污染的一次循環(huán)水，必須設計成兩個回路。由于工質是“干凈”的，不必考慮管路中子脆化的問題，高溫氣冷堆的回路造價和使用期限以及維護成本都低得多。 第四，球床氣冷堆簡直就是一個燒核燃料的煤球爐子，換燃料的方式很簡單：把燒完的煤球從爐子下面放出去，新的煤球從上面倒進去就完

11、了，不用停堆換組件。不僅如此，氣冷堆還有先天的安全性，幾乎是“絕對安全”的，核電事故說白了就一種，那就是堆芯因為溫度過高而融化，進而破壞安全設施，造成核泄露。由于球床燃料的結構特點，這是不會發(fā)生的。前面我們說了，燃料煤球里面的瓜子殼是陶瓷材料，瓜子仁是UO2燃料，這個殼可以承受1600度的溫度，正常情況下，外面的石墨“瓜瓤”的溫度是900度左右，一旦作為冷卻的氦氣停止供應了，煤球的溫度就會升高，“瓜瓤”的溫度也會升高，由于瓜瓤比瓜子多得多，會迅速帶走瓜子表面的溫度，向外界輻射出去，保證“瓜子殼”不會超過極限的1600度。所以堆芯是不可能融化的。清華的示范堆就曾經不止一次表演過在不插入控制棒的情

12、況下停止冷卻的氦氣泵，整個堆芯迅速達到熱平衡，進而安全停堆。 如果說第三代壓水堆AP-1000的非能動安全設計還依賴于一套需要維護的安全設備的話，高溫氣冷堆連這套設備也省了。 所以說，這種設計不再需要能耐壓的安全殼，不再需要冗余的安全設備，甚至可以簡化成一回路設計，大大降低了成本。做成模塊化的電站，由于其獨有的安全性，甚至可以在大城市周邊直接安裝使用。 球床氣冷堆的造價優(yōu)勢和安全優(yōu)勢說過了，此外還有他的效率優(yōu)勢，就是電效率超過40%，大大高于哪怕是三代的壓水堆，甚至四代的超臨界堆，這就進一步降低了發(fā)電成本。此外，由于熱效率高，氣冷堆的供熱優(yōu)勢也十分明顯，未來無論是高溫裂解天然氣制取氫氣還是高溫

13、電解水制取氫氣，900度的高溫熱源都是必不可少的。 此外，球床氣冷堆的優(yōu)勢還在于它的燃料燃燒十分充分，后處理成本低，模塊化的氣冷球床電站你可以給任何人用，而不必擔心核廢料被做成臟彈搞恐怖襲擊。3. 高溫氣冷堆技術的發(fā)展 氣冷堆是國際上反應堆發(fā)展中最早的一種堆型，這種反應堆初期被用來生產軍用钚，20世紀50年代中期以后發(fā)展成為商用核電站的堆型之一。氣冷堆的發(fā)展大致可以分為四個階段：即早期氣冷堆（Magnox）、改進型氣冷堆（AGR）、高溫氣冷堆（HTGR）和模塊式高溫氣冷堆（MHTGR）。1.早期氣冷堆（Magnox）英國在1956年建成單堆電功率50 MW、總電功率200 MW的卡德霍爾（Ga

14、lder Hall）氣冷堆核電站，標志著這種堆型進入了商業(yè)化。早期氣冷堆采用石墨做慢化劑，CO2氣體為冷卻劑，天然鈾燃料和鎂合金包殼燃料元件。主要優(yōu)點是采用天然鈾作為燃料，運行比較安全可靠，钚的產量也較高；主要缺點是燃料裝量大，燃耗淺，大型鼓風機耗功多，堆的體積很大，所以建造費用和發(fā)電成本都比較高。另外，堆冷卻劑二氧化碳氣體的溫度只能達到 400左右，限制了反應堆熱工性能的進一步提高，加之當時美國大力推銷壓水堆技術，迫使氣冷堆的發(fā)展進入了第二階段。2. 改進型氣冷堆（AGR）為了提高氣冷堆冷卻劑的出口溫度、加深燃耗，英國發(fā)展了改進型氣冷堆，反應堆仍采用石墨為慢化劑，CO2氣體作冷卻劑，但采用低

15、濃鈾和不銹鋼包殼燃料元件，以提高功率密度，使其具有體積小，效率高的特點。這種新燃料元件允許堆芯出口CO2溫度達到670，通過蒸汽發(fā)生器產生高參數(shù)過熱蒸汽，并可以配置標準汽輪發(fā)電機組，從而使核電站熱效率提高到近 40%。3.高溫氣冷堆（HTGR）高溫氣冷堆是改進型氣冷堆的進一步發(fā)展，它以低濃鈾或高濃鈾加釷作核燃料，石墨作為慢化劑，氦氣作為冷卻劑，全陶瓷型包覆顆粒燃料元件，使堆芯出口氦氣溫度可達到950甚至更高。反應堆燃料裝量少。轉換比高，燃耗深，在利用核燃料上是一種較好的堆型。高溫氣冷堆已完成了試驗堆電站和原型堆電站兩個發(fā)展階段。 英國早在1966年就建成了第一座熱功率為 20 MW的試驗性高溫

16、氣冷堆“龍堆”；美國于 1967年建成了電功率為 40 MW的桃花谷高溫氣冷試驗堆，接著在 1972年底建成了電功率為 330 MW圣·符倫堡（Fort St. Vain）高溫核電站，電站熱效率達39.3；聯(lián)邦德國也于1967年建成了電功率為15MW的球床高溫氣冷堆試驗電站（AVR），并于1976年建成電功率為300 MW的THTR-300球床高溫堆。至此高溫氣冷堆在設計、燃料元件和高溫材料的發(fā)展、建造與運行方面都積累了成功的經驗，開始進入發(fā)電和工業(yè)應用的商業(yè)化階段。4.模塊式高溫氣冷堆（MHTGR）1979年美國三里島核電站事故發(fā)生后，核電站安全性問題被提到更重要、更迫切的地位，繼

17、而提出了固有安全堆的概念，模塊式高溫氣冷堆就是在這樣的背景下提出的一種具有固有安全性的新堆型。1981年德國西門子（Siemens）/國際原子公司（Internatom）首先推出模塊式球床高溫氣冷堆的設計概念，以小型化和固有安全性為其特征，現(xiàn)已成為國際高溫氣冷堆技術發(fā)展的主要方向。國際核能界和工業(yè)界一致看好高溫氣冷堆的發(fā)展前景，認為它是新一代核電站最有發(fā)展前途的堆型之一。美國、德國、日本和南非等國都在做積極的研究，中國設計和建造的10 MW高溫氣冷實驗堆是世界上第一座模塊式高溫堆的試驗堆。4.高溫氣冷堆（HTGR）主要裝備： 單元過程設備：主要有管道，反應堆壓力容器等。單元過程機器：主要有核主

18、閥門，核泵，提升器等 4.1核主閥門：核閥在反應堆中起著至關重要的作用，閥門既是系統(tǒng)控制和調節(jié)裝置，同時又是承壓設備，關系到反應堆的故障控制與安全運行6。由此可見，核閥門是至關重要的過程裝備。高溫氣冷堆對閥門密封性有很高的要求，特別是第一回路。同時也對閥門與管道之間的焊接提出了很高的要求。閥門必須具備很高的耐腐蝕性，在核島區(qū)工作的閥門，必須長時間受到強輻射的考驗。閥門還要具備極高的可靠性，在高溫高壓以及意外情況下仍能夠正常工作。同時，還要有較高的可操作性，并且還要具備極高的耐用性，閥門的壽命期限基本與核電站運行周期相當。但國內閥門仍然存在，閥門材質，生產工藝、制造水平，驅動裝置 研發(fā)能力等許多

19、問題6。 4.2蒸汽發(fā)生器（generator）：200 MW模塊式高溫氣冷反應堆動力裝置中關鍵性設備的蒸汽發(fā)生器，氯氣人口溫度700度，氦氣壓力5.89 MPa，蒸汽溫度530度蒸汽壓力16.67MPa 3 ，它的作用是將一次回路冷卻劑的熱量傳遞到與之隔絕的二次回路冷卻介質，使之產生蒸汽的關鍵設備。 4.3核泵 ( nuclear reactor pump)：核泵是核電站關鍵系統(tǒng)的介質輸送設備：核泵要有很高的密封性，耐腐蝕性，高可靠性，可操作性和耐用性1。一般壓力在 15. 515.8MPa溫度在300330。高溫氣冷堆則需要更高的溫度。泵的壽命有很高的嚴格的要求，運行周期基本和核電站運行周

20、期相當。可見對核泵的可靠性提出極高的要求?，F(xiàn)階段我國核電站的核泵 ( 核一、二 、三級泵)市場基本仍仰賴國外進口，只有部分核三級泵實現(xiàn)了國產化1。核泵的落后很大程度上限制了我國核電事業(yè)的發(fā)展，隨著材料科學的發(fā)展以及機械制造技術的進步，我國核電發(fā)展的推動，相信不久就會在核泵制造技術上取得重大突破，最終實現(xiàn)國產化。 4.4反應堆壓力容器（reactor pressure vessel） 反應堆壓力容器是安置核反應堆并承受其巨大運行壓力的密閉容器，也稱反應堆壓力殼是核電站中的關鍵設備.RPV制造同樣需要先進技術，主要有:機加工藝技術,冷作裝配工藝技術,焊接工藝技術,整體水壓與油漆包裝工藝技術 2 ，現(xiàn)在我國已經完全掌握1000兆瓦級反應堆壓力容器制造技術。但仍有必要使得制造技術更加成熟。 4.5提升器（elevator）:提升器的作用功能是將高溫氣冷堆核燃料小球，不斷輸送到反應堆內不斷進行何反應7，因此使得高溫氣冷堆具備了不停堆也可裝料的巨大優(yōu)勢，降低了成本。提升器的結構如下圖所示，該設備已經制造并投入到HTR-10中。1 -殼體 2分配盤3磁力傳動器4旋轉編碼器5 減速機6 步進電動機； 7 燃耗 測量 圖二；提升器結構75.高溫氣冷堆的應用前景 模塊式高溫氣冷堆技術具有固有安全性，技術上不需要廠外核應急。