高温气冷堆的技术及装备-2

高温气冷堆的技术及装备随着经济社会进展，人类对能源需求日渐增多。但传统化石能源有着污染大，不行再生的缺陷，并且储量日益削减。核能为人类提供了一个清洁，取之不尽用之不竭的能源宝库，到现在为止已有四代核电技术的历史，人们通常把五、六十年月建筑的验证性核电站称为第一代；70、80年月标准化、系列化、批量建设的核电站称为其次代；第三代是指90年月开发争论成熟的先进轻水堆；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集中具有更好的经济性安全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，高温气冷堆是国际公认的具有先进技术的型核反响堆，我国的高温气冷堆争论技术处于国际领先地位。其主要特点是固有安全性能好、热效率高、系统简洁。目前已成功地建设了 10MV实验电站，并完成了多项安全性试验工作，在向商业化转化的过程中，得到国家有关部门的大力扶持。工程已经列入《国家中长期科学和技术进展规传统核反响堆存在建筑周期长，相对效率较低，安全性不高成本高的缺乏。自从前苏联切尔诺贝利电站发生核泄漏事故以后，人类更期望有更安全的利用核能的方式。高温气冷堆是在以自然铀为燃料、石墨为慢化剂、CO2为冷却剂的低温气冷堆的根底上进展起来的，具有固有的安全性，使得反响堆关心系统削减，有效降低了本钱并且拥有很高的效率。高温气冷堆是现有堆型中工作温度最高的堆型，可以广泛应用于需要高温高热的工业部门。高温气冷堆作为第四代核反响堆具有宽阔的应用前景。高温气冷堆的组成构造及其工作原理通俗地说，反响堆就是“原子锅炉”， 是通过掌握核燃料的反响来产生原子能的装置。通常，反响堆的核燃料是铀 235,在中子的作用下能够产生核裂变。一个铀235原子核吸取一个中子以后，会分裂成两个较轻的原子核，以热的形式释放出能量，并产生两个或者三个的中子。在肯定的条件下，产生的中子会引发其它的铀 235原子核裂变，这种反响连续下去，就是“链式裂变反响”。要形成“链式裂变反响”，不仅铀235要到达肯定数量，还必需用慢化剂把高能量的中子减慢为“热”中子。掌握反响堆中核燃料的反响使核能缓慢释放，并用载热剂从反响堆中导出热量，就能对核能加以利用。高温气冷堆是一种用氦气作冷却剂的先进核反响堆，承受全陶瓷型球形燃料元件〔核燃料经206cm的球状物〕，冷却1600摄氏度。反响堆可承受模块化方式制造，建筑时就像搭积木般，能随时连续地装卸核燃料和不定期停堆拆卸更换，因而和其它反响堆相比，可用率约高达45%以上。高温气冷堆的堆芯核燃料由低富集铀或高富集铀加钍的氧化物〔或碳化物〕2002-3层热150-2001毫米左右的核燃料颗粒。然后将颗粒弥散在石墨基体中压制成球形或柱形燃料实体。堆芯通常由球形燃料和石墨反射层60mm勺球形燃料由堆顶部连续装入堆芯，同时从堆芯底部卸料管连续卸出乏燃料球。卸料的燃料球经过燃耗测量后，将尚未到达预360000个10余次循环。反响堆有两套掌握和停堆系统，均设置在侧向反射层内。第一套掌握系统用于功率调整和反响堆热10毫米的含碳化硼的石墨球，用于长期冷停堆。图为球床高温气冷堆。氦气冷却剂由循环鼓风机输送，从反响堆底部进入堆芯，通过燃料石墨球的间隙，冷却燃料球氦750C。高温氦气进入蒸汽发生器，将热量传给二回路给水，使二回路变成为蒸汽。高温蒸汽送汽轮机做功发750度的高温氮气作为工质直接送入氦气轮机做功发电。我国高温气冷堆的现状以及优点者是中国和南非，后者是美、俄和日本宠爱的，这里着重说一下我国的石墨球床堆电厂的技术特点。60由于技术和需求的限制，3090年月，国际能源危机的压力日趋严峻，南非和中国先后开头了对这一技术的现代化争论PBMR〔400M热功率〕和中国原子能技术争论院设计的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(HTR-10)的建筑和运行工作，HTR-1道，全部的核电站都由几个局部组成：1:堆芯，核燃料在此低速燃烧，产生热量2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。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，相当于西瓜瓤，在西瓜瓤里均匀分布着一些以U0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 U0则相当6都很像我国北方常见的煤球。我们就临时把它称作“煤球”好了。球炉子里一样，直接填充进去就好了，在肯定的温度下，瓜子仁里面的核燃料开头裂变反响，产生热量，煤球里面的石墨起到慢化作用，保持链式900摄氏度左右。几何学问告知我们，一堆球球堆在一起，他们的四周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响堆中出来之后有两个途径一是连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。冷却后的氦气连续打回堆芯，就构成了完整的换能循环过程下面我就说说它为什么奇异：首先，他的燃料组件尺寸很小，精度要求也不高，制造起来就简洁得多。其次，堆芯的构造很简洁，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，不用担忧污染的传递，即使泄露也没事；单一的气体工质，不用简单的流体控制理论；900300-400500多度，所以效率不比压水堆低。这就大大简化了冷却回路的简单性，甚至只要氦气透平机过关，一个回路就可以了，而压水堆由于必需隔离污染的一次循环水，必需设计成两个回路。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，换燃料的方式很简洁：把烧完的煤球从炉子下面放出去，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“确定安全”的，核电事故说白了就一种，那就是堆芯由于温度过高而溶化，进而破坏安全设施，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U0燃料，这个壳可以承受1600度的温度，正常900氦气停顿供给了，煤球的温度就会上升，“瓜瓤”的温度也会上升，由于瓜瓤比瓜子多得多，会快速带走瓜子外表的温度，向外界辐射出1600度。所以堆芯是不行能溶化的。清华的示范堆就曾经不止一次表演过在不插入掌握棒的状况下停止冷却的氦气泵，整个堆芯快速到达热平衡，进而安全停堆。AP-1000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，大大降低了本钱。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。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本钱。此外，由于热效率高，气冷堆的供热优势也900度的高温热源都是必不行少的。此外，球床气冷堆的优势还在于它的燃料燃烧格外充分，后处理本钱低，模块化的气冷球床电站你可以给任何人用，而不必担忧核废料被做成脏弹搞恐惧攻击。高温气冷堆技术的进展气冷堆是国际上反响堆进展中最早的一种堆型，这种反响堆初期被用来生产军用钚，2050年月中期以后进展成为商用核电站的堆型之一。气冷堆的进展大致可以分为四个阶段：即早期气冷堆〔MHTG〕早期气冷堆〔Magno“195650MWV总电功率200MV的卡德霍尔〔GalderHall、气冷堆核电站，标志着这种堆型进入了商业化。早期气冷堆承受石墨做慢化剂， CO2气体为冷却运行比较安全牢靠，钚的产量也较高；主要缺点是燃料装量大，燃耗浅，大型鼓风机耗功多，堆的体积很大，所以建筑费用和发电成本都比较高。另外，堆冷却剂二氧化碳气体的温度只能到达400C左右，限制了反响堆热工性能的进一步提高， 加之当时美国大力推销压水堆技术，迫使气冷堆的进展进入了其次阶段。改进型气冷堆〔AGR为了提高气冷堆冷却剂的出口温度、加深燃耗，英国进展了改进型气冷堆，反响堆仍承受石墨为慢化剂， CO2气体作冷却剂，但承受低浓铀和不锈钢包壳燃料元件，以提高功率密度，使其具有体积小，效率高的特点。这种燃料元件允许堆芯出口 C02温度到达670C，通过蒸汽发生器产生高参数过热蒸汽，并可以配置标准汽轮发电机组，从而使核电站热效率提高到近 40%。高温气冷堆(HTGR高温气冷堆是改进型气冷堆的进一步进展，它以低浓铀或高浓铀加钍作核燃料，石墨作为慢化剂，氦气作为冷却剂，全陶瓷型包覆颗粒燃料元件，使堆芯出口氦气温度可到达 950C甚至更高。反响堆燃料装量少。转换比高，燃耗深，在利用核燃料上是一种较好的堆型。高温气冷堆已完成了试验堆电站和原型堆电站两个发展阶段。196620MW196740MW勺桃花谷高温气冷试330MWFortSt.Vain)高温核电站，电站热效率达39.31967年建成了电功率15MW勺球床高温气冷堆试验电站(AVR1976300MWTHTR-300球床高温堆。至此高温气冷堆在设计、燃料元件和高温材料的进展、建筑与运行方面都积存了成功的阅历，开头进入发电和工业应用的商业化阶段。模块式高温气冷堆(MHTGR1979年美国三里岛核电站事故发生后，核电站安全性问题被提到更重要、更迫切的地位，继而提出了固有安全堆的概念，模块式高温气冷堆就是在这样的背景下提出的一种具有固有安全性的堆型。1981年德国西门子(Siemens)/国际原子公司(Internatom)首先推出模块式球床高温气冷堆的设计概念，以小型化和固有安全性为其特征，现已成为国际高温气冷堆技术进展的主要方向。国际核能界和工业界全都看好高温气冷堆的进展前景， 认为它是一代核电站最有进展前途的堆型之一。美国、德国、日本和南非等国都在做乐观的争论，中国设计和建筑的是世界上第一座模块式高温堆的试验堆。

10MW高温气冷试验堆高温气冷堆(HTGR

主要装备：单元过程设备：主要有管道，反响堆压力容器等。单元过程机器：主要有核主阀门，核泵，提升器等核主阀门：核阀在反响堆中起着至关重要的作用，阀门既是系统掌握和调整装置，同时又是承压设备，关系到反响堆的故障掌握与安全运行［6］。由此可见，核阀门是至关重要的过程装备。高温气冷堆对阀门密封性有很高的要求，特别是第一回路。同时也对阀门与管道之间的焊接提出了很高的要求。阀门必需具备很高的耐腐蚀性，在核岛区工作的阀门，必需长时间受到强辐射的考验。阀门还要具备极高的牢靠性，在高温高压以及意外状况下仍能够正常工作。 同时，还要有较高的可操作性，并且还要具备极高的耐用性，阀门的寿命期限根本与核电站运行周期相当。但国内阀门仍旧存在，阀门材质，生产工艺、制造水平，驱动装置.研发力量等很多问题［6］。蒸汽发生器(generator):200MV7005.89MPa53016.67MPa［3］，它的作用是将一次回路冷却剂的热量传递到与之隔绝的二次回路冷却介质，使之产生蒸汽的关键设备(nuclearreactorpump):核泵是核电站关键系统的介质输送设备：核泵要有很高的密封性，耐。一般压力在15.5~15.8MPa温度在300330C高温气冷堆则需要更高的温度。 泵的寿o命有很高的严格的要求，运行周期根本和核电站运行周期相当。 可见对核泵的牢靠性提出极高的要求。现阶段我国核电站的核泵(核一、二、三级泵)市场根本仍仰赖国外进口，只有局部核三级泵实现了国产化［1］。核泵的落后很大程度上限制了我国核电事业的进展，随着材料科学的进展以及机械制造技术的进步， 我国核电进展的推动，相信不久就会在核泵制造技术上取得重大突破，最终实现国产化。反响堆压力容器(reactorpressurevessel)反响堆压力容器是安置核反响堆并承受其巨大运行压力的密闭容器，也称反响堆压力壳是核电站中的关键设备 只PV制造同样需要先进技术，主要有：机加工艺技术，冷作装配工艺技术，焊接工艺技术,整体水压与油漆包装工艺技术［2］,现在我国已经完全把握1000兆瓦级反响堆压力容器制造技术。但仍有必要使得制造技术更加成熟。提升器(elevator):提升器的作用功能是将高温气冷堆核燃料小球，不断输送到反响堆内不断进展何反响［7］，因此使得高温气冷堆具备了不停堆也可装料的巨大优势，降低了本钱。提升器的构造如以下图所示，该设备已经制造HTR-10中1-23456—步进电动机；7—燃耗测量图二；提升器构造[7]高温气冷堆的应用前景经过示范工程的运行验证后，高温气冷堆技术在核能发电、热电冷联产及高温工艺热应用等领域均将拥有宽阔的商业化应用前景：接入条件有限的地区〔如海南、南方兴旺地区以及加坡、中东、非洲等国家和地区〕，10、20、3060的高温堆纯凝核电机组，成为压水堆核电机组的补充。经初步测算，虽660MW10%但其运行本钱不仅低于燃气轮机发电本钱，与远离煤源的沿海兴旺地区燃煤机组相比也具有肯定的竞争优势。电冷负荷集中的兴旺城市和地区，可以考虑建设高温堆热电冷多联产核电机组，替代石油自然气，作为大容量区域热电冷联供中心，对节能减排有重要的实际