我國高溫氣冷堆的發(fā)展

1、我國高溫氣冷堆的開展【摘要】：模塊化高溫氣冷堆具有的固有平安特性、建造周期短和機組容量小等優(yōu)勢正好符合電力系統(tǒng)非管制化(Deregulatin)開展趨勢對于發(fā)電廠的要求，清華大學(xué)核能設(shè)計研究院正在建造一座10高溫氣冷實驗堆。本文著重分析了高溫氣冷堆的平安特性和進步發(fā)電效率的氦循環(huán)方式我國高溫氣冷堆的開展吳宗鑫1引言高溫氣冷堆新近的開展已引起廣泛的關(guān)注。除了中國和日本正在建造高溫氣冷實驗堆之外，南非、美國、俄羅斯、法國等國都在積極開展高溫氣冷堆的開展工作，一些開展中國家對高溫氣冷堆表示了極大的興趣。高溫氣冷堆具有平安性好、發(fā)電效率高、小容量模塊化建造等特點，正好適應(yīng)了全球正在興起的電力系統(tǒng)非管制

2、化開展趨勢對發(fā)電廠的要求。高溫氣冷堆用氦氣作冷卻劑，石墨作慢化材料，采用包覆顆粒燃料和全陶瓷的堆芯構(gòu)造材料。圖1表示了清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計研究院正在建造的10高溫氣冷實驗堆的總體構(gòu)造。圖110高溫氣冷實驗堆的總體構(gòu)造2高溫氣冷堆特點2.1平安性好高溫氣冷堆是國際核能界公認的一種具有良好平安特性的堆型。圖2表示了三里島核事故后世界核反響堆平安性改進的趨勢，其堆芯融化概率有了顯著的改進。目前世界上的核電廠堆芯融化概率均能到達圖2中實線所表示“滿足要求的電廠的程度，而且一些核電廠到達了“優(yōu)異平安性電廠的程度。美國電力研究所(EPRI)制定的?電力公司用戶要求?文件提出的先進輕水堆的堆芯融化概率設(shè)計要

3、求為105/堆.年。模塊式高溫氣冷堆(HTR)為革新型的堆型，其估計的堆芯熔化概率低于107/堆.年，遠小于先進輕水堆堆芯熔化概率的要求。圖2世界核電廠平安性改進的開展趨勢高溫氣冷堆采用優(yōu)異的包覆顆粒燃料是獲得其良好平安性的基矗鈾燃料被分成為許多小的燃料顆粒，每個顆粒外包覆了一層低密度熱介碳，兩層高密度熱介碳和一層碳化硅。包覆顆粒直徑小于1，包覆顆粒燃料均勻彌散在石墨慢化材料的基體中，制造成直徑為6的球形燃料元件(見圖3)。包覆層將包覆顆粒中產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物充分地阻留在包覆顆粒內(nèi)，實驗說明，在1600的高溫下加熱幾百小時，包覆顆粒燃料仍保持其完好性，裂變氣體的釋放率仍低于104。高溫氣冷堆具有如

4、下的根本平安特性：圖3高溫氣冷堆球形燃料元件2.1.1反響性瞬變的固有平安特性在整個溫度范圍內(nèi)，高溫氣冷堆堆芯反響性溫度系數(shù)(燃料和慢化劑溫度系數(shù)之和)均為負，具有瞬發(fā)效應(yīng)的燃料溫度系數(shù)也為負。因此，在任何正反響性引入事故情況下，堆芯均能依靠其固有反響性反響補償才能，實現(xiàn)自動停堆。高溫氣冷堆正反響性引入事故主要有：控制棒誤抽出；蒸汽發(fā)生器發(fā)生破管，水進入堆芯造成慢化才能增強引入正反響性事故；一回路風(fēng)機超速轉(zhuǎn)動，冷卻劑熱端平均溫度下降引入的正反響事故等。事故分析的結(jié)果說明，在發(fā)生上述正反響性引入事故條件下，堆功率上升導(dǎo)致燃料元件的溫度升高，但負反響性溫度系數(shù)能迅速抑制其功率的上升，燃料最高溫度遠

5、低于燃料元件最高溫度限值。2.1.2余熱載出非能動平安特性模塊式高溫氣冷堆堆芯的熱工設(shè)計時考慮了在事故工況下堆芯的冷卻不需要專設(shè)的余熱冷卻系統(tǒng)，堆芯的衰變熱可籍助于導(dǎo)熱、對流和輻射等非能動機制傳到反響堆壓力容器外的堆腔外表冷卻器，再通過自然循環(huán)，由空氣冷卻器將堆芯余熱散發(fā)到大氣(最終熱阱)中(見圖4)。圖4非能動堆芯余熱排出系統(tǒng)轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.當(dāng)發(fā)生一回路冷卻劑流失的失壓事故時，堆芯的余熱已不可能由主傳熱系統(tǒng)排出，只能依靠上述的非能動余熱載出系統(tǒng)將堆芯衰變熱載出，這樣必然使堆芯中心區(qū)域的燃料元件溫度升高。為了使堆芯燃料元件的最高溫度限制在1600的溫度限值內(nèi)，模塊式高溫氣冷堆堆芯功率密度

6、和堆芯的直徑將受到限制。模塊式高溫氣冷堆余熱非能動載出功能的實現(xiàn)根本上排除了發(fā)生堆芯熔化事故的可能性，具有非能動的平安特性。2.1.3阻止放射性釋放的多重屏障縱深防御和多重屏障是所有核電廠的根本平安原那么。作為模塊式高溫氣冷堆第一道屏障的燃料元件，在所有運行和事故工況下，堆芯燃料元件的最高溫度限制在1600內(nèi)。在此溫度以下，熱解碳層和致密的碳化硅包覆仍保持完好性，能使氣態(tài)和金屬裂變產(chǎn)物幾乎完全被阻留在包覆燃料顆粒內(nèi)。而且裂變材料被大量分散到許多小的燃料顆粒內(nèi)，獨立形成屏障，具有很高的可靠性。一回路的壓力邊界是防止放射性物質(zhì)釋放的第二道屏障。一回路的壓力邊界由以下幾個壓力容器所組成：反響堆壓力容

7、器，蒸汽發(fā)生器壓力容器，以及連接這兩個壓力容器的熱氣導(dǎo)管壓力容器。這些壓力容器發(fā)生貫穿破裂的可能性可以排除。由于在任何工況下不會發(fā)生燃料元件溫度超過1600而使裂變產(chǎn)物大量釋放的事故，而且在正常運行工況下一回路冷卻劑的放射性程度很低，故在發(fā)生失壓事故時，即使一回路冷卻劑全部釋放到周圍環(huán)境中，對周圍環(huán)境造成的影響也是很小的。因此，在模塊式高溫氣冷堆的設(shè)計中不設(shè)置平安殼，而采用“包容體的設(shè)計概念?！鞍蒹w不同于平安殼，無氣密性和承全壓的要求，無需噴淋降壓和可燃氣體控制等功能，系統(tǒng)大為簡化。高溫氣冷堆的“包容體功能是由具有一定密封性能的一回路艙室來實現(xiàn)的。在10kPa壓差下的泄漏率小于102/天。在

8、正常運行工況下，由排風(fēng)系統(tǒng)保持一回路艙室的負壓，防止一回路艙室內(nèi)放射性物質(zhì)向反響堆建筑內(nèi)擴散，排風(fēng)經(jīng)過濾后由煙囪排出；當(dāng)發(fā)生一回路冷卻劑失壓嚴重事故，一回路艙室中的壓力超過10kPa時，自動翻開事故排風(fēng)管道的爆破膜，放射性物質(zhì)不經(jīng)過濾直接由煙囪排向大氣。由于直接釋放放射性的后果并不嚴重，加之一回路艙室內(nèi)壓力經(jīng)短時間后立即下降到正常壓力，系統(tǒng)又恢復(fù)經(jīng)過濾排出，這樣可以防止事故過程中大量放射性裂變物質(zhì)直接向環(huán)境的釋放，防止了大量放射性釋放的風(fēng)險性。圖5氦氣透平直接循環(huán)流程圖圖6直接結(jié)合循環(huán)發(fā)電流程圖2.2發(fā)電效率可進步模塊式球床型高溫氣冷堆采用了余熱非能動載出的特性，雖大大地增強了平安性，但是其單

9、堆的功率受到了很大的限制。由于球床型高溫氣冷堆可以提供950的高溫氦氣，充分利用其高溫氦氣的潛力獲得更高的發(fā)電功率是進步其經(jīng)濟競爭力的主要開展方向。氦氣透平直接循環(huán)方式是高溫氣冷堆高效發(fā)電的主要開展方向。南非ESK公司設(shè)計的高溫氣冷堆核電廠即采用了氦氣透平直接循環(huán)方式1，2，由一回路出口的高溫氦氣冷卻劑直接驅(qū)動氦氣透平發(fā)電，反響堆壓力為7Pa，氦氣出口溫度為900，高溫氦氣首先驅(qū)動高壓氦氣透平，帶動同軸的壓縮機，再驅(qū)動低壓氦氣透平，帶動另一臺同軸的壓縮機，最后驅(qū)動主氦氣透平，輸出電力。經(jīng)過整個循環(huán)，氦氣的壓力將降到2.9Pa，溫度降為571。為了將氦氣加壓到反響堆一回路的入口壓力，需先經(jīng)過回?zé)?/p>

10、器和預(yù)熱器冷卻到27后，再經(jīng)兩級壓縮機后升壓到7Pa，而后回到加熱器的另一側(cè)加熱到558，回到堆芯的入口，其流程見圖5所示。該循環(huán)方式發(fā)電效率可到達47。該循環(huán)系統(tǒng)的主要優(yōu)點為：系統(tǒng)簡單，全部電力系統(tǒng)都集成在同軸相連的三個壓力容器內(nèi)，造價低；防止了堆芯進水事故的可能性；熱力循環(huán)效率高。3熱循環(huán)方式圖7間接結(jié)合循環(huán)流程3.2間接結(jié)合循環(huán)圖7給出的間接結(jié)合循環(huán)流程為：反響堆出口的900高溫氦氣經(jīng)過中間熱交換器(加熱二次側(cè)的氮氣)，冷卻到300，再經(jīng)過氦風(fēng)機回送到堆芯的入口。二次側(cè)的氮氣經(jīng)中間熱交換器加熱到850，實現(xiàn)氣體透平和蒸汽透平的結(jié)合循環(huán)。該循環(huán)的發(fā)電效率為43.7。由于采用氮氣作工質(zhì)，可以

11、采用成熟的氣體透平技術(shù)，在現(xiàn)有技術(shù)根底條件下具有更好的可行性。但是投資本錢增加，也不能排除堆芯進水事故的可能性。從上述循環(huán)流程的比較可以看出，氦氣熱力循環(huán)方式都可以得到很高的發(fā)電效率，根據(jù)技術(shù)的開展程度，可以選擇適宜的循環(huán)流程。模塊式高溫氣冷堆由于采用非能動余熱載出方式，其單堆的輸出功率受到限制，最大熱功率只能到達200260。其輸出電功率只能到達100規(guī)模容量，相比壓水堆核電廠，其容量規(guī)模較校但是，南非ESK公司設(shè)計的100發(fā)電容量的高溫氣冷堆的經(jīng)濟分析結(jié)果說明，與大容量的壓水堆核電廠相比較，其發(fā)電本錢有很好的競爭力，而且可以與當(dāng)?shù)亓畠r的煤電本錢相比較。主要的因素有以下幾點：高的發(fā)電效率：其發(fā)電效率比壓水堆核電廠高出約25。建造周期短：100容量高溫氣冷堆采用模塊化建造方式，建造周期可縮短到兩年，與壓水堆核電廠56年的建造周期相比，降低了建造期的利息，可使建造比投資減少20左右；系統(tǒng)簡單：高溫氣冷堆具有的非能動平安特性使系統(tǒng)大為簡單，不必設(shè)置壓水堆核電廠中的堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng)和平安殼等工程平安設(shè)施，節(jié)省了建造投資。清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計研究院長期以來一直從事高溫氣冷堆技術(shù)的研究和開展工作，根本掌握了高溫氣冷堆設(shè)計和建造的關(guān)鍵技術(shù)。目前正在建造一座10的高溫氣冷實驗堆，方案在2000年底前建成。并以此為根底，推進高溫氣冷堆在我國的