高温气冷堆实习报告1

1、高温堆相关技术及平安性摘要：以清华大学核研院 10MW高温气冷堆为根底，简要地介 绍高温堆的应用及其平安性，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历验证了：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 平安性一、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 良好的氮作冷却剂、用耐高温的石墨作慢化剂和构造材料、冷却剂出口温度可 达750950 C的核反响堆，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0.70.8等优点。由于氮气化学稳 定性好，传热性能好，而且诱生放射性小，停堆后能将余热平

2、安带出，平安性 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、批量建立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，平安性高和废物产生量少。第四代核反响堆的六个构型中，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

3、 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年没有大的开展，直到上个世纪9妙代，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 究,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)。两者的设计都已经根本完成，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构造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

4、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响温度，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 是略微松散的石墨填料，相当于西瓜瓢，在西瓜瓢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那么相当于瓜子仁。这个西瓜构造的燃料组件直径是6 厘米一一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。在反响堆的堆芯里面多是一个环

5、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 裂变反响，产生热量，煤球里面的石墨起到慢化作用，保持链式反响的稳定运 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 氮气，另一端让高压氮气流出，快速流过煤球空隙的氮气带走了多余的热量， 就构成了堆芯冷却的第一回路。900g氏度的高压氮气从反响堆中出来之后，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

6、就是直接用氮气透平机组把热能转换成机械能，带动 发电机。冷却后的氮气继续打回堆芯，就构成了完好的换能循环过程。外热解碳层内热解碳层HTR-10全陶瓷型包覆颗粒球形燃料元件示意图反响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，形成活性区上外表燃料元件 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构造，石墨反射层构造分为顶部反射层、侧反 射

7、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构造，内层石墨构造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 构造在高度方向由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，起到定位和减少氨气漏流的作用，并 使石墨砌体形成一个整体构造。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勺控制棒导向孔，7个为长圆形孔槽，用于吸收球停堆系 统，另外3个为直径130mmi勺材料辐照孔道侧反射层外侧开有 20个冷氮气流动孔 道。底部反射层

8、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 含有热氯气出口联箱，温度不均匀的热氯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-1吸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勺烧结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，使反响堆

9、停堆。控制棒系统的反响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 收球系统可以使反响堆由热态最终到达冷态次临界状态，确保反响堆的平安 性。吸收球装置设在反响堆压力壳内,直径为5mm勺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 反响堆停堆。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-1睬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

10、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勺卸料管排到堆外，燃 料元件通过设置在压力壳外的碎球别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展燃耗测量，将 未到达设计嫩耗值的元件重新装入堆芯作再循环，将另一部分已到达设计燃耗 的元件输送到乏燃料贮存库储存在反响堆额定功率运行期间，每天循环的燃料 元件总数为125个，其中需参加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。反响堆

11、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Q环焊接密封构 造。压力壳顶盖上设有控制棒驱动机构的接收和材料辐照孔道的接收构造，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勺大孔，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。班气舁风*1拒制棒型动门种冷,收笥串花射后胃律发牛叁反力狎籍热/期管招女联野Hbwrti£4支 3 10MW高温气冷实验堆的总体构造示

12、意图在国家“ 863方案的支持下，200W12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一10。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 运行的具有模块式构造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700c热氯气, 管外与热气导管压力壳组成的环形流道通过 250c冷氮气。热气导管的一端与堆 芯底部热氮气环道和堆芯筒体相连，另一端接到燕汽发生器的氮气入口端。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

13、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进步到950c运行的可能 性。外管作为绝热层材料和内管壁的支承构造和冷热氨气的密封隔离构造，其工作温度接近于冷氮气温度。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响堆发出的热量由一回路冷却剂氮气传到二回路，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构造

14、,它由37个管组件构 成。传热管采用18*3的管，管长约27m,总传热面积约56町。考虑到HTR-10 在第二阶段氮气温度将进步到950c ,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构造，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，在构造设计上 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、氮循环风机一回路氢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，在风机停顿后即关闭此隔离阀，以 防止一回路氯气形成自然循环，保护风机部件不致过热。风机的进口管与蒸汽发 生器

15、的冷氮气出口管相接，使风机与蒸汽发生器组成一体化构造，并装置于同 一压力壳内。氮循环风机的工作压力为3.0MP,压力升值为60kMP,工作温度为250c , 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，以满足反响堆各种运行工况的要求。HTR-10主要设计参数反响堆热功率10MW一回路氮气压力13Mpa堆芯出口氮气温度700 c堆芯入口氮气温度P 250 c一回路氮气流量燃料UO2U235加浓度r 17%平均燃耗80000M Wd/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 c蒸汽发生器给水压力104 c蒸汽流量

16、燃料元件形式:球形燃料元件最高容许温度限值1600 c燃料元件最高设计温度限值1200 c堆芯活性区体积5n3堆芯平均功率密度2MW/m3堆芯内燃料元件总数27000个堆芯最大快中子逋量1.75*10 15n/cm2堆芯最大热中子逋量3.43*10 15n/cm2四、高温气冷堆原理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I以化学惰性和热工性能良好的氮气（He）作为冷却剂，耐高温的石墨作为慢化剂 和堆芯构造材料。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

17、。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彳和石墨反射层组成。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。卸出的燃料元件假设未到达预定的燃耗深度，那么再送回堆内使用，使每个燃料元件的燃耗深度根本一致，从而实现了不仃堆装卸料。这样既大大进步了 电站的负荷因子，又无需储藏补偿燃耗所需的反响性，即后备反响性小（ 1.0% ）,从而大大进步了反响堆的平安性。五、主要技术特点1 .平安: 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

18、和机器的干预, 反响堆都能保持平安状态, 即所谓的“固有平安性。由于球床堆芯功率密度低, 并具有较高的温度负反响性效应, 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好性, 能使气态和金属的放射性裂变产物阻留在燃料颗粒内。在平安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平安特性。并且, 这已经在2004年 9 月 30 日清华大学核能院对10

19、MWt 高温气冷实验堆进展的固有平安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4347% （压水堆一般为3335% ）。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宜群堆建立, 降低后续工程的建立费用。据南非 ESKOM 电力公司提供的PBMR商用堆群堆建立费用（1000 美元/千瓦） 和国内媒体关于我国

20、第一座高温气冷堆商用示范核电站建立投资的报道, 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本钱和燃料本钱, 大幅进步了核电站的经济性。 由于其固有平安性, 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7001000c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

21、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 , 从核能可持续开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开展具有深远的意义。六、平安性清华实验堆HTR-10， 构造是 2回路的， 1 回路氦气，2回路水。热功率 460Mw，电功率200Mw。 这种构造下最严重事故有两类：1 回路跑气和2 回

22、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，燃料组件就到达了热平衡最大值，温度是1030度左右，而“瓜子壳的承受才能是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，负反响最终接触链式反响。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

23、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。而只要反响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 理的根

24、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，埋起来平安得多，这还是成型组件做不到的。石墨基体无燃料区疏松层PyCSiC居 内致密层U0上核芯,包覆燃料颗粒60 mm温度U 。0正常运行最高温度聿故最高祖度 biL失效阻度图2包技飘粒燃料在高温下的优异性能卜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，堆芯的构造很简单，简直就是一个高精度的煤球炉子，只要包容燃 料球就好了。第三，他的冷却热质是氮气，好处有三：惰性气体，不用担忧污染的传递， 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

25、度，而压水堆那么只有300-400度，将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，甚至只要氨气透 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本钱都低得多。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，气冷堆还有先天的平安性，几乎是“绝对平安的，核电事故说白了就一种，那就是堆芯因为温度过高而融化，进而破坏平安设

26、施，造成核泄露。由于球床燃料的构造特点，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顿供应了，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，会迅速带走瓜子外表的温度，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顿冷却的氦气泵，整个堆芯迅速到达热平衡，进而平安停堆。假设说第三代压水堆AP-1000 的非能动平安设计还依赖于一套需要维护的平安设备的话，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平安壳，不再需要冗余的平安设备，甚至可以简化成一回路设计，大大降低了本钱。做成模块化的电站，由于其独有的平安性，甚至可以在大城市周边直接安装使用。球床气冷