先进的规则床模块式高温气冷堆概念

　第28卷　第2期核科学与工程Vol.28　No.2　2008年　6月Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering J un.　2008

先进的规则床模块式高温气冷堆概念

田嘉夫

(清华大学核能技术设计研究院,北京100084)

摘要:规则床模块堆是燃料球呈规则堆积的一种先进的模块式高温气冷堆设计。燃料球在平面上成正方形排列,四个球的中心是次一层球的位置,形成正四棱锥堆积。当燃料球落入被做成一定几何形状的堆芯空腔时,就自动形成规则堆积。燃料球可以从反应堆顶部装入和卸出,能够在较短的停堆时间内完成换料操作。规则床堆芯是一种密实体,具有很强的结构适应性和稳定性。在模块化设计中,保持非能动冷却和限制最高燃料温度的条件下,它能够提高输出功率和降低堆芯压降,同时还兼有球形燃料堆和柱状燃料堆的主要优点。本文介绍规则堆积床特性和预测规则床模块堆的设计性能。

关键词:模块式高温气冷堆;卵石床;规则床;球形燃料堆;柱状燃料堆

中图分类号:TL3,TL4 文献标识码:A 文章编号:025820918(2008)022*******

Advanced ordered bed modular HTGR reactor concept

TIAN Jia2f u

(Institute of Nuclear Energy Technology,Tsinghua University,Beijing100084,China)

Abstract:The Ordered Bed Modular Reactor(OBMR)is an advanced modular H T GR design in which t he reactor core is filled wit h an ordered bed of f uel sp heres.The or2 dered beds are packed in a pyramid geomet ry in which t he unit cell layer is formed by four sp heres lying at t he corners of a square,and t he individual sp heres in subsequent layers fill t he cusp s formed by t hem.This arrangement allows f uel element s to be poured into t he core cavity which is shaped so t hat an ordered bed is formed and to be discharged f rom t he core t hrough t he opening holes in t he reactor top.These operations can be performed in a shorter shut down time.The core of t he OBMR as a compact core has great st ruct ural flexibility and stability.The geomet ry of t he core st ruct ures is t hat passive cooling to t he environment and maximum f uel temperat ures are kept wit hin safe limit s.It is allowed to increase reactor outp ut power and decrease core p ressure drop as well as having mo st of t he advantages of bot h t he pebble bed reactor and block type re2 actor.This paper introduces ordered packing bed characteristics and predicted design

收稿日期:2007206207;修回日期:2007211207

作者简介:田嘉夫(1937—),男,辽宁人,教授,从事核能应用和先进反应堆方面研究

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feat ures of t he OBMR.

K ey w ords:modular H T GR;pebble bed;ordered bed;pebble bed reactor;block type reactor

1　模块式高温气冷堆技术背景高温气冷堆是世界上经过几十年研制开发,准备投入建造的下一代技术成熟的核电堆型。它以耐高温陶瓷型包覆颗粒为燃料,以化学惰性和对反应性没有影响的氦气为冷却剂,以耐高温石墨为慢化剂、反射层和结构材料。由于没有金属材料,冷却剂出口温度可达到和超过950℃,发电效率接近50%,还能以较高效率制氢,用于大量生产清洁能源。

在20世纪80年代,德国科学家提出了高温气冷堆模块化设计概念,使高温气冷堆研究取得重大进展[1]。它的特点是限制功率密度和功率规模,运用非能动和固有安全的技术手段,排除堆芯熔化和发生严重事故的可能性,显著提高反应堆安全性。其原理如下:

在反应堆正常运行时,堆芯陶瓷颗粒燃料的最高工作温度范围为1100～1250℃,在事故情况下,陶瓷颗粒燃料可承受1600℃高温,而不会出现破损或放射性渗漏。一旦反应堆冷却系统出现失压和失去冷却能力的严重事故时,堆芯区石墨温度升高,吸收大量剩余发热的同时提供了足够的停堆负反应性,也提高了通过传导和辐射经由压力壳向外散热的能力。随着余热的衰减,在燃料区温度升高至1600℃以前,发热和散热达到平衡,温度转趋下降,从而完全非能动地保证了反应堆安全。模块化设计的单堆发电功率为165～278MW,以多模块组合的形式,在经济上与其他大型核电机组相竞争,也因此被命名为模块化设计。

模块化设计的固有安全性使反应堆不会发生严重的核泄漏,不会有危及周围环境的事故,也不再需要厂外应急措施。这在很大程度上简化了反应堆设计要求,不需要设置承压安全壳,也省去了冗余的安全系统和设施。核电站选址也可以靠近城市或人口较密集的区域,有更宽容的适应范围。另外,模块化设计可以直接耦合氦气透平机组,简化能量转换系统,提高了发电效率。这种高度的反应堆安全性、颗粒燃料良好的防扩散性能,以及高效率的发电和制氢能力,在国际上受到广泛重视,被列为第四代先进核能系统中优先发展的堆型之一。

2　球形燃料堆和柱状燃料堆特性从20世纪60年代起,英国、美国和德国,先后建造和运行了5座高温气冷实验堆和原型堆,其中有两种类型,即球形燃料堆和柱状燃料堆,取得了先期的实验研究成果。在模块式高温气冷堆概念出现以后,这两种类型的高温气冷堆都转变成模块化设计,并与氦气轮机直接耦合,成为一种结构简单、发电效率高的核电系统[2]。美国和俄国联合设计了柱状燃料模块式高温气冷堆(GT2M HR)[3],日本也设计了柱状燃料模块堆(GT H TR300)[4],其单堆热功率均为600MW,电功率接近300MW。中国和南非分别设计了球形燃料模块式高温气冷堆(H TR2PM及PBMR),热功率为458MW和400MW,电功率为195MW和165MW[5,6]。

在这期间,中国和日本还分别建造了小型高温气冷实验堆,即中国的10MW球形燃料高温气冷堆(H TR210)及日本的30MW柱状燃料高温气冷堆(H T TR),目前这些实验堆都在运行中。高温气冷堆的建成和发电,说明我国在高温堆的燃料制造、氦气循环回路等关键技术方面,已经达到一定水平,目前正准备建造458MW的高温堆商用核电站。

为降低成本和提高单堆输出功率,两种模块化设计都力求扩大压力壳侧面面积,增加散热能力,因此堆芯截面采用环形,堆芯被设计成有石墨芯的细长柱。在堆芯区域分别以六角形棱柱燃料或球形燃料填充。由于两种燃料块形状不同,使两种反应堆的物理、热工和结构性能产生很大差异。

球形燃料堆具有堆芯结构简单,燃料品种单一,适宜批量生产,成本低。燃料球机械强度高,辐照稳定性好。可进行全尺寸的辐照考验。

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卸出的乏燃料球可逐个检测,能达到较均匀的深燃耗。另外,球形燃料还便于在屏蔽条件下的输送和贮存。球形燃料堆采用连续换料运行方式,在运行中,燃料球连续由堆芯顶部添加,从堆芯底部卸出。虽然连续换料有利于中子经济性和电站利用率,但却不能在堆芯内,特别是轴向,展平功率分布,限制了功率输出水平。另外,冷却剂只能自上而下穿过堆芯柱的长度方向(轴向),流动阻力大,这进一步限制了功率输出水平,也降低了热循环效率,其设计热效率约41%。因此,南非设计的商用球形燃料堆(PB2 MR),每个模块的热功率为400MW,电功率为165MW。

柱状燃料堆的特点与球形燃料堆刚好相反,主要缺点是燃料块设计复杂,经高温辐照后,其扭曲和变形难以补偿,因此在实验堆上也曾出现燃料元件振动引起的功率波动问题。燃料块需要定期停堆换料,换料时需要在屏蔽条件下进行较复杂的操作。但柱状堆燃料块在换料时,可以在轴向和径向交换位置,能够展平功率分布。燃料块上有直通的冷却剂通道,堆芯流动阻力小,因此每个模块的热功率可达600 MW,热循环效率高达47%,电功率为278 MW。

3　规则床模块堆概念

球形燃料堆和柱状燃料堆以同样的燃料颗粒、氦冷却剂和石墨结构材料为基础,又都同样采用模块化设计,两种堆型性能差异主要来自燃料块的外形和尺寸。针对出现的矛盾和问题,提出了一种新颖的堆芯结构设计,不仅兼有两种堆型的主要优点,而且还能进一步提高高温气冷堆模块化设计的技术性能。这就是规则床模块式高温气冷堆,简称OBMR(Ordered Bed Modular Reactor)[7]。

311　球的规则堆积

现有的球形燃料堆,其燃料球在堆芯空腔内随机堆积,球形元件还有另一种堆积方式,即规则堆积。球在随机堆积中,球体重力和球间摩擦力形成一种较松散的平衡体系,其空隙率为39%左右。这种较松散体系,具有准流体性质,因此球可以从顶部加入,由底部卸出。规则堆积则是一种结晶状的密实体,球在堆芯空腔中形成一定几何形状的规则排列,在一定方位上相互支撑,其位置是固定的,空隙率由排列的几何条件决定。

规则堆积有多种形式,现在选择了有间隙正四棱锥规则堆积,它适用于模块式高温气冷堆的燃料装卸方式。在水平的石墨底面上,加工很多半球形凹陷,使落入的燃料球成正方形排列,每4个球的中心又形成新的凹陷,它又成为次一层球的位置,以此层层累积形成正四棱锥规则堆积,见图1及图2。只要将堆芯空腔底面和侧壁做成适应这种几何形状,由顶部随机落入的燃料球,就会自动形成规则堆积[8]

。

图1　规则堆积示意图

Fig.1　Ordered packing schematic

diagram

图2　左为塑料球堆积的棱锥,右为60mm的石墨球Fig.2　Plastic ball pyramid(left)and

graphite balls of60mm diameter(right)

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在正四棱锥排列中,相邻球的水平中心距可以从1到1.225个球直径间变化,并分别对应不同的堆积密度(或空隙率),见图3。

在规则堆积球床中,球像弹簧一样相互支撑,水平方向和垂直方向尺寸互为补偿,在结构上有很强的适应性和稳定性,能够承受不同方向的压力波动,能够适应高温和强辐照条件下

尺寸和形状的变化,而不改变冷却剂流道特性

。

图3　球的水平中心距和堆积密度的关系曲线Fig.3　Graph of sphere spacing vs packing density

312　技术背景

20世纪60年代,美国布鲁克海文实验室,对球的规则堆积和随机堆积进行了大量的基础实验研究。规则床实验研究的目的是设计1000MW钠冷快增殖堆,进行了许多不同几何条件下规则床的流动阻力实验[9211]。

与此同时,德国也进行了大量的随机堆积、球床流动及球的输送特性的实验研究,并建造了两座随机堆积的球形燃料高温气冷堆。

我国在20世纪60和70年代,在清华大学核能技术设计研究院,建造了反应堆零功率物理实验室,开展了高浓铀石墨慢化的反应堆物理实验研究,同时在该实验室还进行了球的规则堆积、随机堆积、球床流动和输送特性的基础实验研究。

这些预先的技术和实验研究成果是本项概念设计的基础。

313　模块式高温气冷堆规则床参数

高温气冷堆燃料球直径为60mm,在规则堆积中,选择了相邻球的水平中心距为70 mm,即1.167个球直径,这是因为:

1)当球的尺寸或堆芯空腔的水平尺寸发生变化时,其变化范围在5%以内时,仍然维持规则排列;

2)球间形成的通孔贯穿全部球床,便于监测和发现无规则排列;

3)在装料时,可将细棒插入一些通孔,用于分隔不同的径向燃料球区。

在这样的水平中心距的情况下,上下相邻两层球的中心距为0.5652个球直径,即33.912mm,相应的堆积密度为0.6806,即空隙率为32%,见图1及图3。

目前环形堆芯的几何尺寸,是模块化设计安全原理决定的,为保证固有安全和非能动余热载出及燃料温度在安全限值之内,规则床堆芯也需要被设计成有石墨芯的细长柱。横截面则需要被设计成八角形的环形,见图4和图5。堆芯设计后的尺寸是:环形八角形的内平面距为2950mm,外平面距为4610mm,堆芯活性区高度为8063mm

。

图4　八角形堆芯1/8堆积模型

Fig.4　One eighth simulator of octagonal core

314　规则床的形成和堆内分区

堆芯空腔侧壁需要平行于正方形排列的一个侧面或其对角线,因此形成八角形堆芯,侧壁表面为平面或平面上有垂直肋条。空腔底面上有规则排列的半球形凹陷(图5a、b)。

当球从顶部随机落入时,就自动形成规则排列。在压力壳顶盖上有8个开孔,分别对准1/8堆芯的中心位置。从这些开孔插入进球管,8个区域可同时添加燃料球,落入的球将一层层累积形成规则床(图6c、d)。如图6c所

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图5a 八角形环形堆芯的1/8

Fig.5a One eighth of octagonal

core

图5b A 局部剖面

Fig.5b A cross 2section

示,首先在空腔底部添加石墨球,形成可更换的下石墨反射层。再按照最佳功率和温度分布的要求,在轴向的许多分区内,添加不同燃耗深度的燃料球,形成活性区。最后再添加石墨球,形成可更换的上石墨反射层。

在形成活性区的过程中,有些轴向区域可能要求径向还分成不同的燃料区,以便满足径向展平的要求。这时可以采用一些简单的径向分隔器,分隔器由多孔板和很多可插入规则床通孔中的细棍组成。如图7所示,1/8堆芯被分隔成3个径向区域,A 、B 和C ,来自不同进球管的燃料球将被分配到这些不同的径向区内。多孔板上孔的位置与规则排列球相同,孔的直

径大于球直径,因此球都落到孔板以下。下部空间被填满后,分隔器将向上移动到下一个位置,按轴向和径向的不同分区完成燃料球的填充

。

图7　规则床利用分隔器装料

Fig.7　Loading of ordered bed using divider

315　规则床批换料

如图6所示,规则床模块堆以整体卸料和

再装料的批换料方式运行。装卸料过程应尽可能在短时间内完成,以便保持电站的高利用率。清华大学核能技术设计研究院的实验室,从前做过模拟规则床装卸和输送实验,使用的是25mm 和40mm 直径的玻璃球和塑料球,实验证实利用简单的工具,就可以较快地将球从容器上部卸出和装入。球形燃料的批换料能够在较短的停堆期间完成,详细装卸料方式可见另一篇论文[12]。316　规则床卸料

反应堆卸料是在停堆和低温低压条件下进行。反应堆压力壳通过输球管与贮球罐相连,压力壳内的压力稍高于贮球罐,气流通过输球管从压力壳向贮球罐流动。卸料机穿过压力壳

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图6　规则床模块堆纵剖面

Fig.6　Vertical cross2section of OBMR

(a)卸料开始;(b)卸料完成;(c)规则床模块堆纵剖面;(d)利用分隔器装料

1—小吸收球卸料器;2—小吸收球控制系统;3—下石墨球反射层;4—反应堆环形堆芯;5—控制棒;

6—上石墨球反射层;7—卸料机;8—小吸收球贮存器;9—换料贯穿件;10—装料机;11—径向分隔器

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顶盖上的开孔,伸向规则床并定位在床的表面。如图8所示,卸料机的转动头边下降边转动,气流一个接一个地将球推进转动头并送出压力壳。8台卸料机可以同时运行,从上至下将燃料球全部卸出,最后在下反射层中可能剩有部分石墨球(图6a 、b )。剩余的石墨球或许还有损坏的燃料球,在需要时可以利用其他工具取出。卸料机的输球速度,大约每秒可输送1个球,如果堆内有70万个球,净输球时间大约为1d

。

图8　规则床卸料

Fig.8　Unloading of ordered bed

输出的球被分检和测量后,由管路和阀门系统,分别送到它们的目的地,如石墨球贮罐、乏燃料贮罐或不同燃耗深度的临时燃料贮罐。燃料贮罐需要设置冷却系统,用于冷却燃料球的剩余发热,这样在停堆后可以较快地启动卸料程序。317　规则床装料

规则床反应堆装料时,需要一些专用设备,如燃料球输球管、可视探头、光源以及径向分区分隔器等。有些设备需要在装料时通过压力壳顶盖开孔装入,有些设备则一直留在压力壳的顶盖空间内。

装料将按如下步骤进行:

1)燃料球输球管、可视探头、光源等装入压力壳;

2)燃料球输球管伸向下石墨反射层,送入

石墨球形成下石墨球反射层;

3)按照装料方案,将不同燃耗深度的燃料球和新燃料球,送入轴向和径向的预定位置,形成规则床活性区(图6d );

4)再装入石墨球,形成上石墨球反射层。有时,例如很多球同时加入时,可能有一些球相互支撑,形成无规则堆积点。无规则点在随后的装料中多数有自我矫正能力,变成规则排列。但有时无规则也可能保持下去,这时可视探头会发现球间通孔被遮挡,利用装料设备产生振动,或专用的机械振动器接触局部床的表面,很容易恢复到规则排列。预计按这种方式装料,能够在较短的停堆时间内,完成规则床装料。318　最佳功率和温度分布

由于采用批换料方式运行,为补偿运行中的燃耗反应性,在燃料球中不仅包含燃料颗粒,还添加可燃毒物颗粒[13]。卸出的燃料球,依据实测的燃耗深度和可燃毒物含量,除将乏燃料分出外,其余的将被分配到下一个堆芯装料的指定位置。由于能够精细地安排轴向和径向位置,可获得良好的功率和温度分布。

规则床模块堆的这种特性,使它能够超过

目前球形燃料堆和柱状燃料堆的最大热功率输

出水平。功率分布的最佳化还会随允许燃耗深度、换料批次及球的重金属含量的增加而改善。目前TRISO 颗粒燃料的平均卸料燃耗深度设计值为80000MWd/t ,有些实验表明它还能提高很多,因此功率分布的最佳化和功率输出水平还可能随之进一步提高。319　冷却剂流程和压降

球在规则床内类似剪刀式支撑,水平间距的减少将导致垂直间距的增加,反之亦然,具有很强的结构适应性和稳定性。它能够承受水平方向或是垂直方向的压力波动,因此它允许冷却剂不同方向流动,而不会引起堆积密度或流道形状的改变。规则床虽然有贯穿球床的通孔,它使流动阻力减小,但由于堆积密度高,仍然有较大的流动阻力。

对球形燃料堆压降过大的问题,已经有些人建议利用冷却剂水平流向的办法来改

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善[14215]。但松散随机堆积球床很难适应冷却剂横向流动和压力波动。对于规则床,完全可以将冷却剂的单流程改变为双流程或径向流动,这会显著降低球床流动阻力。共有4种流动方式可供选择,即单一的垂直方向流、从中心向上下的双向流、从上下向中心的双向流和从外环向中心的径向流。后两种流动方式如图6c所示,它们的特点是流动阻力小,出口的高温气体集中在中心的较小区域内,便于壳内结构布置。

当采用径向流方式时,由于环形堆芯流道截面很大,穿过堆芯的流速低,会使燃料温度升高,这要求利用不同燃料的径向分布来解决[14]。随机堆积床依靠球的轴向流动来实现径向不同燃料分布是困难的,但规则床却容易做到。另外,采用径向流时,规则床阻力很小,但在两个水平方向上各向异性,阻力不同,因此需要加大石墨块反射层上开孔的阻力,才能获得较均匀的出口气体温度。

3110　易更换的石墨球反射层

目前在高温气冷堆的设计研究中,一般预计在反应堆寿期内石墨块是需要更换的。由于世界上缺乏石墨材料的高温辐照数据,还不可能精确预测石墨反射层的使用寿命。只有经过示范堆多年运行,这些数据才会逐渐累积,所以在准备初期建设的示范堆上,多半将部分石墨反射层设计成可更换反射层,这对于球形燃料堆增加了额外的负担。环形堆芯的球形燃料堆,若中心区采用石墨球,石墨球与燃料球一同自上而下流动,即所谓动态中心柱,中心区石墨更换是容易的,但却存在很多影响反应堆性能的不利因素。譬如:中心区不能插入控制棒,仅有外反射层区的控制棒,当量不足;中心区与燃料区同样流过冷却剂,造成燃料温度高而出口气温低等问题。

前几年南非在PBMR设计中,将原来的石墨球中心区改成了石墨块中心区。这样就需要提高石墨材料耐辐照性能和解决中心区石墨块更换问题。

规则床设计提供了新的解决办法,即靠近堆芯区的反射层可以由石墨球代替,有可能减少和避免石墨块的更换。因为快中子注量率在石墨层中下降很快,有2～3层石墨球,就能显著延长石墨块寿命。如图6c所示,上下靠近堆芯的反射层由规则堆积的石墨球组成,是一个合理的设计安排。内外侧面靠近堆芯的区域,采用石墨球时,对于冷却剂径向流动方式,也是一个合理的解决办法。而对于垂直流动方式,会产生一定的冷气傍流,需要权衡傍流和石墨块更换的利弊问题。

另外,为避免中心区石墨块更换,也可以采用堆芯直径较小的柱形,中心区或部分中心区也可以是规则排列的石墨球。这种方案压力壳直径较小,输出功率较小,同样需要权衡傍流和石墨块更换的利弊,是一种可供选择的具有折中性能的方案,其特性参数摘录在下一节的表1中。

3111　反应堆反应性控制

反应堆控制和停堆系统由小吸收球和控制棒组成,小吸收球不仅是停堆手段,也是一种控制机构。在中心石墨块区内,安排小吸收球孔道,孔道内随机堆积小吸收球,堆积高度即相当于吸收体自下而上的插入深度。孔道下部连接小球单一器,单一器转动时小球一个接一个的进入管道,并被输送至堆顶小球贮存器,这相当于控制棒的提升过程。打开小球贮存器底部阀门,小球依靠重力快速落入孔道,增加了堆积高度,这相当于控制棒的插入过程。这种控制机构的优点是可承受高温,能适应气体出口温度,这类似于南非在PBMR中的设计。虽然小吸收球与反应堆通常使用的控制棒有很大差别,但小球的运动具有可靠性、可控性和可监测性,并能满足失事安全原则,可以作为一种控制机构。另外,由机电控制的控制棒系统,被安排在外石墨块反射层中,外反射层通常处于气体入口的低温区。

燃耗反应性主要由球内含有的可燃毒物补偿,虽然不如连续换料那样能更有效地利用中子,但对于各类燃料循环,譬如堆芯以钚为燃料,希望加深燃烧武器级钚时,它有利于保证反应堆深燃耗情况下反应性系数为负值[3]。

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表1　无石墨块中心柱规则床模块堆预计设计参数

T able1　Predicted perform ance d ata of OBMR without graphite center column 性能方案1方案2方案3方案4方案5方案6热功率/MW130220280350400500八角形内平面距/m000.920.920.92 1.48堆芯当量内径/m000.950.950.95 1.54八角形外平面距/m 1.95 2.51 2.93 2.93 2.93 3.35堆芯当量外径/m 2.00 2.59 3.01 3.01 3.01 3.43堆芯高/m 6.03 6.03 6.038.068.068.06压力壳内径/m 4.7 5.3 5.7 5.7 5.7 6.1燃料球数111256187724225984303024320783393943石墨球数(上/下)213463648738487384873863354石墨球数(中心)0035518355185837498874燃料球平均功率/kW?球-1 1.17 1.17 1.15 1.16 1.25 1.27堆芯平均比功率/MW?m-3 6.88 6.92 6.73 6.787.347.47氦流方式单程单程单程单程双程双程氦气入口温度/℃250250250250250250氦气出口温度/℃750750750750750750系统压力/MPa777777

氦流量/kg?s508499134153191堆芯压降/kPa①112114872024441

①包括上下石墨球反射层。

4　规则床模块堆预计的设计性能以现有模块式高温气冷堆设计为基础上,对规则床设计的主要参数,如:堆芯几何形状和尺寸、燃料球数、石墨球数、反应堆功率、氦流量、不同流程的阻力降等进行了计算,目的是了解规则床模块堆主要特性和提供规则床设计的基础条件。表1中摘录的设计参数和预测结果是不采用石墨块中心柱的方案,而表2摘录的是采用石墨块中心柱方案。为了解不同堆芯尺寸和冷却剂流程对堆芯阻力降的影响,在各方案中,都假定燃料球的平均比功率为1.17kW,利用文献[11]给出的实验结果,计算了规则床各方案的压降。假设条件十分保守,在进一步完成反应堆设计后,最大可实现的单堆输出功率还会提高。

表2　有石墨块中心柱规则床模块堆预计设计参数

T able2　Predicted perform ance d ata of OBMR with graphite center column

性能方案7方案8方案9方案10方案11方案12方案13热功率/MW500680600820680820820八角形内平面距/m 2.11 2.11 2.95 2.95 2.11 2.95 2.95堆芯当量内径/m 2.18 2.18 3.01 3.01 2.18 3.01 3.01八角形外平面距/m 3.91 3.91 4.61 4.61 3.91 4.61 4.61堆芯当量外径/m 4.02 4.02 4.79 4.79 4.02 4.79 4.79堆芯高/m8.0610.988.0610.9810.9810.9810.98

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续表性能方案7方案8方案9方案10方案11方案12方案13

压力壳内径/m 6.7 6.77.57.5 6.77.57.5

燃料球数424800579600513064700028579600700028700028

石墨球数(上/下)61128611287382473824611287382473824

石墨球数(侧)000000300464

燃料球平均功率/kW?球-1 1.18 1.17 1.17 1.17 1.17 1.17 1.17

堆芯平均比功率/MW?m-3 6.90 6.89 6.85 6.88 6.89 6.88 6.88

氦流方式双程双程双程双程双程双程径向

氦气入口温度/℃250250250250490490490

氦气出口温度/℃750750750750850850850

系统压力/MPa7777777

氦流量/kg?s191260229313364439439

堆芯压降/kPa①3279327818818730②

①包括上下石墨球反射层;

②主要压降来自侧面石墨块窄缝。

5　规则床模块堆的优点

规则床模块式高温气冷堆与球形燃料堆和柱状燃料堆相比,具有许多突出的优点:

1)堆芯燃料球规则排列,可以将不同燃耗深度的燃料球或石墨球分配到轴向和径向的固定位置,实现两维功率和温度的最佳分布,获得比其他模块堆更高的输出功率和出口平均温度;

2)规则床堆芯是一种类似“结晶”的密实结构,能承受不同方向的压力波动,允许冷却剂多流程或水平流向,因而可以显著地减少球床流动阻力,既能提高输出功率,又能提高能源转换效率;

3)规则床模块堆仍然保留球形燃料堆的主要优点,即球形燃料元件品种单一,便于研制和低成本的批量生产,燃料球的结构强度高,辐照稳定性好,便于在屏蔽条件下的输送和贮存,燃料球可经过燃耗测量使其达到更均匀的深燃耗;

4)规则床模块堆燃料球堆积密度高,有利于中子经济性,能部分地补偿不连续换料引起的损失;

5)在规则床模块堆中,邻近堆芯的强快中子辐照反射层区可以填充石墨球,变成易更换石墨反射层;

6)规则床模块堆与柱状燃料堆一样,以批换料方式运行,但球形燃料元件装卸设备简单,停堆换料时间短;

7)规则床模块堆的换料是在停堆和低温低压条件下进行,与球形燃料堆不同,装卸设备不需要在高温高压和反应堆运行中操作和维护;

8)规则床模块堆不需要堆底卸料,不需要复杂的堆底结构设计,又减小了压力容器尺寸;

9)球形燃料堆对球流实验的依赖程度很高,对不同尺寸和不同形状的堆芯设计,每次都需要进行模拟实验,实验结果还需要耦合到中子设计及热工水力设计中。但运行中不一定能保持这种规律不变,例如装卸料机停止工作,或燃料需要卸出后重新装入时,就打乱了规律,增加许多不便预测的复杂工况。规则床则更接近于通常反应堆设计,运行中也没有燃料的移动问题;

10)规则床模块堆有贯穿堆芯的通孔,在反应堆启动时,可以实际测量堆芯两维中子注量率。在反应堆提升功率前,可以获得功率分布的测量值,对反应堆安全和计算值校正都十分重要。

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6　结论

规则床模块式高温气冷堆是在已有的高温气冷堆实验研究和模块化设计基础上的一种改进。改进的核心技术仅涉及球形元件从无序堆积到有序排列的堆积特性的变化。这一崭新的概念,完全可以由不含任何核材料的球形元件,在实验室的模拟堆芯条件下完成工程实验和性能测试,同时也可完成规则床专用装卸设备的研制。规则床堆芯投入使用后,将会减少很多运行和维护工作,也能在多方面提高模块式高温气冷堆的技术性能。

参考文献:

[1]　Lohnert G H.Technical design features and essential

safety2related properties of t he H TR2module[J].Nu2 clear Engineering and Design,1990,121:2592275. [2]　International Atomic Energy Agency.Current Status and

future development of modular high temperature gas cooled reactor technology[R].IAEA2TECDOC21198,2001. [3]　K odochigov N,Sukharev Yu,Marova E,Ponomarev2

Stepnoy N,G lushkov E,Fomichenko P.Neut ronic fea2 tures of t he GT2M HR reactor[J].Nuclear Engineering and Design,2003,222:161171.

[4]　Yan X,Kunitomi K,Nakata T,Shiozawa S.GT H2

TR300design and development[J].Nuclear Engineer2 ing and Design,2003,222:247262.

[5]　Zhang Z,Wu Z,Xu Y,Sun Y,Li F.Design of Chinese

modular high2temperature gas2cooled reactor H TR2PM

[C].2nd International Topical Meeting on high temper2

ature reactor technology.Beijing,China,2004,Septem2 ber22224:D15.[6]　K oster A,Matzner H D,Nicholsi D R.PBMR design

for t he future[J].Nuclear Engineering and Design, 2003,222:2312245.

[7]　Tian J.A new ordered bed modular reactor concept[J].

Annals of Nuclear Energy,2007,34(4):2972306. [8]　田嘉夫.规则床模块式高温气冷堆及其燃料球布置方

法:中国,200510092973.3[P].2007201224.

[9]　Epel L G,Levine M M,Nugent G,Parsick R J.The

ordered2bed fast reactor concept[10002MW(e)reactor design][R].BNL50027(T2444),1966.

[10]Susskind H,Winsche W E,Becker W.Random and or2

dered packing of spheres[R].BNL50022(T2441), 1966.

[11]Susskind H,Becker W.Pressure drop in geometrically

ordered packed beds of spheres[R].BNL50016(T2 437),1966.

[12]Tian J.Loading and unloading scheme of t he ordered

bed modular reactor[C].3nd International Topical Meeting on high temperature reactor technology.Johan2 nesburg,Sout h Africa,2006,October124:D0*******.

[13]Kloosterman J L,van Dam H,van der Hagen T H J J.

Applying burnable poison particles to reduce t he reactiv2 ity swing in high temperature reactors wit h batch2wise fuel loading[J].Nuclear Engineering and Design, 2003,222:1052115.

[14]G ougar H D,Ougouag A M,Terry W K,Ivanov K N.

Design of pebble2bed reactors using genetic algorit hms

[C].2nd International Topical Meeting on high temper2

ature reactor technology.Beijing,China,2004,Sep2 tember22224:D11.

[15]Muto Y,Kato Y,Udagawa R.Improvement of Fuel

Temperature Characteristics in a Pebble Bed Core wit h

Horizontal Flow by means of Fuel Zoning[C].Proceed2 ings of ICAPP’05.Seoul,K orea,2005,May15219: 5192.

(上接第133页)

表9　СЬ210×16H25AM6的主要化学成分

T able9　Main chemical compositions ofСЬ210×16H25AM6

C Si Mn Cr Ni Mo S P N 0108～0112≤01601100～210015100～1710024100～271005150～7100≤01018≤01025011～012

料的制造技术,笔者认为需要加强在以下几个方面的研究:

1)快堆压力容器用不锈钢材料的国产化研究;

2)快堆蒸汽发生器用2125Cr21Mo或9Cr1MoV钢国产化研究;

3)快堆异种材料焊接用焊接材料国产化研究。

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