第六章 高温气冷堆
高温气冷堆的特点
高温气冷堆的特点高温气冷堆（High Temperature Gas-cooled Reactor，HTGR）是一种利用气体作为冷却剂和工质的核电反应堆。
它具有许多独特的特点，使其成为目前研究和开发的热点。
首先，高温气冷堆具有高温工质。
其出口温度可达到800℃以上，远高于传统水冷反应堆的温度。
这种高温工质使得高温气冷堆具有更高的热效率，从而提高了能源利用率。
此外，高温工质还具有一定的热储存能力，可以在需求峰值时释放储存的热能，满足热能需求。
其次，高温气冷堆具有固态燃料。
与传统的液态燃料相比，固态燃料具有更高的热效率和更低的安全风险。
固态燃料不易泄漏，且燃料粒子更易于密封和控制。
此外，固态燃料具有更高的燃烧温度和更低的熔点，使其更加适合高温气冷堆的运行。
第三，高温气冷堆具有气冷循环系统。
传统的水冷反应堆依赖于水冷却剂来带走核反应堆产生的热量。
而在高温气冷堆中，气体是冷却剂和工质，不但可以有效地冷却反应堆，还可以通过燃气涡轮机转换热能为电能。
这种气冷循环系统不仅避免了水蒸汽泄漏和腐蚀等问题，还提高了能量转换效率。
第四，高温气冷堆具有更高的安全性。
由于高温气冷堆采用了固态燃料和气冷循环系统，不存在水蒸汽爆炸和核泄漏等传统核电反应堆常见的事故风险。
此外，高温气冷堆还具有自动衰变热分散和机械停堆等安全特性，可以有效地降低事故风险。
高温气冷堆也是一种固定床反应堆，核燃料颗粒被完全包裹在球状燃料颗粒堆中，有利于减少放射性物质的扩散和释放。
第五，高温气冷堆具有多能级应用优势。
由于其高温工质和固态燃料的特点，高温气冷堆可以广泛应用于电力、石化、冶金、化工和航天等领域。
例如，高温气冷堆可以用来产生高温高压的蒸汽，用于发电和工业生产；还可以通过高温换热器提供工业或城市的热水和蒸汽供应。
最后，高温气冷堆具有较长的运行寿命。
由于固态燃料和气冷循环系统的采用，高温气冷堆的燃料更易于密封和控制，反应堆更易于维护和远程管理。
这使得高温气冷堆具有更长的运行寿命和更低的维护成本。
高温气冷堆热循环方式
带回热的间接循环
间接循环中间多了一 个换热器（IHX）将一 回路系统和二回路系 统分开，间接循环有 闭式和开式两种循环 方式，闭合循环二回 路热力过程与直接循 环完全一致，而开式 循环则减少了预冷器， 闭式循环可以选用氮 气和氦气，而开式循 环只能选择空气。
高温气冷堆热循环方式
氦气透平的发展及未来
直接联合循环
• 6.9MPa的900℃高温氦气先驱动一个氦气压 缩机透平，带动同轴的压缩机，再驱动主 发电氦气透平，向外输出电力。出口的氦 气再通过一直流蒸气发生器，加热另一侧 的水，使之产生蒸汽。产生的蒸汽推动蒸 汽透平发电机，向外输出功率。氦气经直 流蒸气发生器后由压缩机加压到7.0MPa， 183℃，回到堆芯入口。该系统的氦气透平 和蒸汽透平联合循环发电效率可达48%。
这个循环系统的主要优点：不需要采用 高效回热器，避开了一个技术难点。但 是，由于采用氦气蒸汽联合循环，增加 了系统的投资成本，故不能排除堆芯进 水事故的可能性。
间接联合循环 • 反应堆出口的900℃高温氦气经 过中间热交换器(加热二次侧的 氮气)，冷却到300℃，再经过氦 风机回送到堆芯的入口。二次侧 的氮气经中间热交换器加热到 850℃，实现气体透平和蒸汽透 平的联合循环。该循环的发电效 率为43.7%。
高温气冷堆的工作原理
高温气冷堆的工作原理
高温气冷堆作为重要的储能设备，其原理比较简单，但是由于它的性能特性，在大量能源相关的领域有着广泛的应用，因此本文将主要介绍其工作原理。
高温气冷堆的基本原理是将气体压缩到一定温度和压力，从而形成为热力学的低温或高温区域。
当气体进行低温压力膨胀时，释放热量，而当它经过高温压力缩凝时，则贮存热量。
这样一来，在一定热能互换系统内，可以实现气体在低温方面扩散热量，而在高温方面贮存热量，从而形成气体可以为热力机械发电产生能量。
当高温气冷堆处于充电状态时，将气体通过压缩机(compressor)压缩到某一设
定的高温高压，接着气体流向加热(heat)器，最后在冷凝(condenser)器内实现溶液
的热贮FM的的工作原理，使得气体与热热机的耦合发挥着作用，从而产生可用能。
而放电状态下，气体将从冷凝器出发，经过溶液膨胀阀，最后进入膨胀器，完成气体的低温膨胀，释放热量，此时气体经过冷却器冷却，压力降低，气体排出到大气中，一定的热量被用于机械发电机的发电。
以上就是高温气冷堆的工作原理。
它通过改变气体的温度和压力，并配合加热和冷却装置，实现“热量的迁移”，达到热力发电的效果，给航空航天、船舶工程、核能、石油化工等诸多领域带来了极大的变革。
高温气冷堆
高温气冷堆高温气冷堆来源：中国核电信息网发布日期：2009-07-06【英文名】：high temperature gas cooled reactor用氦气作冷却剂，出口温度高的核反应堆。
高温气冷堆采用涂敷颗粒燃料，以石墨作慢化剂。
堆芯出口温度为850~1000℃，甚至更高。
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。
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(0.7~0.8)等优点。
由于氦气化学稳定性好，传热性能好，而且诱生放射性小，停堆后能将余热安全带出，安全性能好。
【实际应用】10兆瓦高温气冷实验堆：在国家"863"计划的支持下，自上世纪八十年代中期，我国开展了10MW高温气冷实验堆的研究、开发，于2000年12月建成临界，2003年1月实现满功率并网发电，我国对高温气冷堆技术的研发取得了突破性成果，基本掌握了核心技术和系统设计集成技术。
这一科技成果在国内外引起广泛的影响，使我国在高温气冷堆技术上处于国际先进行列。
2006年1月，国务院正式发布的"国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006--2020年)"中，将"大型先进压水堆和高温气冷堆核电站示范工程"列为国家重大专项。
第四代先进核能系统近年来，国际上提出了"第四代先进核能系统"的概念，这种核能系统具有良好的固有安全性，在事故下不会对公众造成损害，在经济上能够和其它发电方式竞争，并具有建设期短等优点，高温气冷堆是有希望成为第四代先进核能系统的技术之一。
我国高温气冷堆的研究发展工作始于70年代中期，主要研究单位是清华大学核研院。
值得一提的是，建成的首座高温气冷堆的压力壳直径4.7米，高12.6米，重150吨，是我国自己设计和制造的迄今体积最大的核安全级压力容器。
高温气冷堆的工作原理
高温气冷堆的工作原理高温气冷堆的工作原理高温气冷堆（High-Temperature Gas-Cooled Reactor，简称HTGR）是一种基于气冷技术的新型核反应堆。
相比传统的水冷堆，高温气冷堆具有更高的温度和更高的燃烧效率，同时还具备较高的安全性和可靠性。
本文将详细介绍高温气冷堆的工作原理。
高温气冷堆的核燃料是以富集铀或钚等核材料制成的小型球体，被称为“球形颗粒堆”，这些颗粒由包层材料包围，形成可在高温下工作的燃料元件。
燃料元件堆叠在一起形成一个燃料堆芯。
在堆芯外部，布置有气体冷却剂，通常使用大气中常见的氦气作为冷却剂。
由于氦气无毒、无腐蚀性、低密度等特点，使得高温气冷堆具备了较高的安全性和可靠性。
高温气冷堆的工作过程包括燃料核裂变产生热能、热能转化为动能、动能转化为电能等多个步骤。
首先，燃料堆芯中的核燃料颗粒发生裂变反应，产生大量的热能。
这些裂变反应会持续引发新的核裂变反应，使得燃料堆芯内的温度升高。
然后，燃料堆芯内的热能会传导到燃料元件表面的包层材料中。
包层材料具有较低的热导率，能够有效地阻止热能向外传递，使得燃料堆芯温度不断上升。
接下来，燃料堆芯外的氦气冷却剂会通过管道进入堆芯内，吸收燃料元件表面的热能。
在这个过程中，氦气会被加热，温度逐渐升高。
随后，加热后的氦气会流出堆芯，通过热交换器与其他工质进行热交换。
热交换器中的工质（通常是水）会受热变成蒸汽，然后推动涡轮发电机转动，将热能转化为动能。
最后，动能通过涡轮发电机转化为电能。
这样，从核裂变产生的热能最终转化为了实用的电能。
高温气冷堆的这一工作过程具备多重安全性措施。
首先，堆芯材料和冷却剂均为无毒无腐蚀性材料，避免了放射性物质泄漏和腐蚀问题。
其次，高温气冷堆具有自动关闭和冷却功能，一旦超温或故障发生，系统会自动停止工作并冷却下来。
此外，高温气冷堆还具备较高的热效率，能够更好地利用燃料资源，减少对环境的影响。
综上所述，高温气冷堆是一种基于气冷技术的新型核反应堆。
高温气冷堆技术研究
高温气冷堆技术研究一、综述高温气冷堆（High Temperature Gas-Cooled Reactor，HTGR）是一种基于氦气作为冷却剂，球形燃料颗粒构成燃料元件，使用含有放射性210Pb和226Ra的天然矿石球团体作为反应堆壳的中子反射层的一种核反应堆。
由于其独特的设计和系统性能，HTGR 已经成为当前核电技术研究的热点之一，具有开发和推广的潜力。
本文将在深入分析HTGR技术原理的基础上，对不同类型的HTGR技术进行研究论述和探讨。
二、技术原理1.堆芯设计HTGR堆芯设计一般采用球形燃料颗粒构成燃料元件，燃料颗粒由内而外分布不同结构，包括燃料核心、内降温层、内热输出层、外降温层和外热输出层五个部分。
燃料元件都串联在控制棒组、反应堆内壳、中子反射层和球壳之间，构成了HTGR的正常燃料链。
2.冷却剂拥堵特性HTGR使用氦气作为冷却剂，其特性是高热传导、惰性和透明，对于核燃料具有优异的散热性和防护性能，在HTGR的设计和控制中发挥了重要的作用。
HTGR 氦气冷却系统的主要功能是通过散热管式燃料元件的外壳和头部将热量传递到冷却剂中，而氦气冷却通过各种机制保证在一定范围内的温度水平来有效地控制燃料和减轻设备运行过程中的冷却剂拥堵。
3.安全特性HTGR对安全性的关注已经在其设计和应用阶段中进行了鉴定和评价。
HTGR通过基础防线和二次防线两种符合原则和目的的安全机制来保证其安全性能。
基础防线工作原理是在堆芯内部设计足够的容量来保证对堆芯内部故障的快速响应和封堵，而二次防线的目的是在基础防线封闭之前保证超额保护能力。
三、技术类型1.复合型复合型气冷堆用于煤制气合成，采用下列动力学模拟方法，在反应器水平开堆模式下，达到化学品的高度稳定的水平：1) 分层模拟：通过解决运动方程和固定基本参数来进行模拟。
2) 长程热效应模拟：通过区分化学反应机理，通过 MATLAB 来进行模拟。
3) 质量传递模拟：通过分析气固反应的动力学过程，来达到气体的质量传递。
高温气冷堆原理
高温气冷堆原理高温气冷堆（HTGR）是一种新型的核能反应堆，其核心原理是利用高温气体来驱动温度较高的热交换器，并产生高温蒸汽以供发电或其他应用。
HTGR是目前最具有发展潜力和安全可靠性的核能反应堆之一，本文将重点介绍其原理和应用。
高温气冷堆主要由燃料元件、反应堆压力容器、热交换器、气轮机以及辅助系统组成。
燃料元件是核反应的关键部分，它通常由燃料微球组成，每颗微球都包裹在一个由防腐蚀材料制成的包层中。
这种设计可以提高堆芯的安全性，并降低核燃料的溶解和泄露的风险。
在高温气冷堆中，燃料微球被装载在一系列的蜂窝状燃料矩阵中，形成一个核反应区。
当中子被释放并与燃料微球进行碰撞时，会引发核裂变反应，释放出大量的热量。
这些高温气体通过热交换器传递给工作介质，并进一步驱动气轮机发电。
热交换器是高温气冷堆的核心部件之一，它能够有效地传递燃料中释放出的热量，并将其转化为可以用于发电的热能。
热交换器通常采用管壳式结构，其中高温气体通过壳侧传递，而工作介质则通过管侧传递。
通过这种方式，高温气体的热能能够直接传递给工作介质，从而实现高效率的能量转换。
气轮机是高温气冷堆发电系统的关键组件，它将通过热交换器传递给工作介质的热能转化为电能。
在气体进入气轮机之前，通常会经过多级压缩，以提高气体的压力和温度。
当气体进入气轮机后，叶片会受到气流的推动而旋转，从而带动发电机产生电能。
由于高温气冷堆运行时产生的气体具有较高的温度和压力，因此可以实现高效率的发电。
高温气冷堆除了可以用于电力发电之外，还可以通过热解过程产生氢气。
热解是将高温气冷堆的高温气体通过特定的催化反应转化为氢气的过程。
这种方式不仅可以提高氢气的产量，而且还可以将高温气冷堆的热能充分利用，实现能源的高效转换。
高温气冷堆具有多种优点和应用前景。
首先，高温气冷堆的燃料元件可以高效地防止核燃料的溶解和泄露，因此具有很高的安全性。
其次，高温气冷堆能够产生高温的热量，可以广泛应用于化学工业、石油加工和其他高温要求的工业领域。
高温气冷堆的原理
高温气冷堆的原理高温气冷堆是一种先进的核能发电技术，它能够通过气体冷却来驱动和冷却核反应中的燃料。
相比于传统的水冷堆，高温气冷堆具有更高的工作温度，更高的热效率以及更强的安全性能。
本文将详细介绍高温气冷堆的原理。
首先，高温气冷堆的核心部分是核燃料。
核燃料一般选择铀或钍等放射性元素，通过核反应产生的热能来驱动发电机组发电。
而与传统的水冷堆不同，高温气冷堆采用气体冷却介质，例如气体冷却堆可以使用氦气，氦气作为冷却介质能够在高温下具有很好的热导性能，并且不易发生化学反应。
其次，高温气冷堆的核反应基于核裂变原理。
核裂变是指将重核（例如铀、钍）撞击中子后裂变成两个或多个轻核的过程。
核反应发生时，会释放出大量的能量。
在高温气冷堆中，裂变产生的热能被传递给气体冷却剂，通过气体冷却剂暖气器传递给热交换器或直接用于发电。
第三，高温气冷堆中的热交换器是实现热能转换的关键。
热交换器一般由管子组成，通过管道内的气体冷却剂与裂变燃料之间的热传递，将高温气体中的热能通过换热传递给工作介质，例如用于蒸汽发电的水。
通过这种方式，可以将核反应释放的热能高效地转化为电能。
此外，高温气冷堆的安全性能也值得关注。
高温气冷堆采用气体冷却剂，相比水冷堆而言，气体冷却剂更不易发生蒸汽爆炸等事故，避免了放射性物质的泄漏和生态环境的影响。
而且，高温气冷堆通过设计安全堆芯结构和控制系统，能够自动响应异常情况，使堆芯安全地关闭。
最后，高温气冷堆的优势不仅体现在高效能转换和安全性上，还可以用于热利用，使核能发电进一步提高经济效益。
高温气冷堆的高温热能可以用于工业生产过程中的蒸汽供应、海水淡化、油砂开采等，进一步满足社会需求。
总的来说，高温气冷堆是一种既高效又安全的核能发电技术。
通过核裂变原理和气体冷却介质的选择，高温气冷堆能够实现核能的高效转化，并且具有更好的安全性能。
随着科技的不断进步，高温气冷堆必将在未来的核能发电领域发挥重要作用。
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5. 高温气冷堆－模块式 客观要求：美国三里岛事故发生后，人们设法实 现核反应堆的“绝对安全”。希望在任何事故情况下 都不会发生大的核泄漏，不会危及公众与周围环境的 安全，也就是人们常说的实现反应堆的固有安全性。 概念提出：模块式高温气冷堆就是在这样的背景 下发展起来的一种新堆型。1981年德国电站联盟 (KWU)首先提出球床模块式高核能工程系
高温堆用途
模块式高温堆建造周期2—3年，建造成本和电 价：1300美元/千瓦，3.3美分/度。 出口950℃，发电效率高，蒸汽循环40%左右， 氦气循环48%左右。 高温堆安全、经济好，用途广泛： 开采稠油和炼制石油； 生产各类化工产品； 煤气化、液化； 制氢、甲醇等等。
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高温堆为何能获得高温？
① 采用“全陶瓷”型涂敷颗粒燃料，不用金属包 壳，能承受很高的温度，在1600℃下仍能保持燃 料颗粒的完整性； ② 采用耐高温的石墨（可承受3000℃高温）作为堆 芯结构材料； ③ 使用化学惰性的氦气作为冷却剂，它与其它材 料有很好的高温相容性。
由于这些原因，可以使高温气冷堆的冷却剂出口 温度达到950℃，是迄今各类反应堆中工作温度最高 的堆型。
第六章
高温气冷堆
主讲教师 田
鑫
主要内容
1 2 3 高温气冷堆特点 高温气冷堆结构 高温气冷堆慢化剂和冷却剂
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第四代先进核能系统－六个入选堆型：
超高温气冷堆 气冷快堆 钠冷快堆 超临界水堆 铅/铋冷快堆 熔盐堆
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燃料元件结构特点
涂敷颗粒太小，无法直接 使用，只有将涂敷颗粒分 散在石墨基体中压制成燃 料密实体，再将密实体装 入有石墨包壳组成不同形 状的燃料元件使用。 • 球形元件 • 柱形元件
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烟囱 空冷器 水箱
腔室混凝土
堆芯
表面冷却系统
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高温堆基本特点 氦气作冷却剂 石墨作慢化材料 球形燃料元件 全陶瓷堆芯结构 连续装卸燃料 非能动余热排出 无应急冷却系统 模块化建造
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3. 高温气冷堆－实验堆 英国1960年建造20MW试验堆“龙堆”(Dragon)。 美国1967年建成40MWe桃花谷(Peach Bottom)实验堆。 德国1967年建成15MWe的球床高温气冷堆(AVR)， 并发展了具有自己特色的球形燃料元件和球床高温堆。 这三座实验堆的成功运行，证明了高温气冷堆在技 术上是可行的。
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慢化剂 高温气冷堆采用石墨作为慢化剂和主要 的结构材料主要原因： 1. 热中子吸收截面小； 2. 高温下有较好的机械性能和稳定性； 3. 抗热震性能好。
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冷却剂系统
两个循环回路：二次侧微放射性 冷却剂选择氦气的原因： 1. 化学惰性 2. 核物理性能 3. 容易净化 4. 传热性能和载热性能好 缺点：密封系统
1. 第一代气冷堆－Magnox型气冷堆 石墨为慢化剂，CO2气体为冷却剂，金属天然铀为 燃料，镁诺克斯(Magnox）合金为燃料棒的包壳材料。 1956年英国建成50 MW气冷堆电站，商用化。 70年代初期，在英、法、意、日和西班牙等国建造 36座，总装机容量达到8.2 GW（电）。
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高温堆固有安全性 负温度系数大；在任何 情况下能自动停堆。 功率密度低（5-10 kW/L),热容量大，热稳 定性高。但堆芯相对大。 失冷时，余热可靠导热、 辐射及自然对流排出。 元件低于1600⁰C的限值。 在任何运行和事故情况 下不会发生严重事故。
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基本概念
高温气冷堆（HTGR）
采用涂敷颗粒燃料，以石墨作慢化剂和堆芯结构 材料，以氦气作冷却剂的先进热中子反应堆。
高温气冷堆的特点
1、高温高效，提供高温核热的多用途核能源； 2、公认的固有安全性堆型，对环境污染小，可建在 人口密集区； 3、可获得较高的核燃料转换比。
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柱形元件
棱柱块 上开有燃 料孔和冷 却剂孔， 控制棒 孔，控制 毒物孔， 装卸孔。
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高温气冷堆堆芯结构特点
按照石墨燃料元件的结构形式分为： 球床堆 棱柱堆 堆芯一般为圆柱形，四周为石墨反射层， 反射层外为金属热屏，整个堆芯装在预应力混 凝土压力壳内。
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4.高温气冷堆－原型堆 美国1968年建造330 MWe圣•符伦堡（Fort Stvrain） 电站，1976年并网。 德国1971年 建造300 MWe钍高温球床堆THTR300，1985年并网运行。 高温气冷堆在设计、燃料和材料的发展、建造和 运行方面都积累了成功的经验，开始进入发电和工业 应用的商用化阶段。
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HTGR主要关键技术
1. 高燃耗的颗粒核燃料元件的制造和辐射考 验； 2. 高温高压氦气回路设备的工艺技术问题。
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全陶瓷堆芯结构
堆芯石墨结构
数字化控制室
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高温气冷堆－关键技术的突破
• 氦气－冷却剂 • 全陶瓷型的热解炭涂敷颗粒作燃料（技术突破）
1960 / UK HUDDLE PATENT: TRISO COATED PARTICLE 动力工程学院核能工程系
高温气冷堆简介 高温气冷堆根据其燃料元件形状和结 构的不同而分为两类：
球床高温气冷堆 柱状高温气冷堆
共同点
均采用涂敷颗粒燃料
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涂敷颗粒燃料：燃料核心＋涂敷层
1. BISO颗粒 燃料核心 ＋ 两种涂敷层 2. TRISO颗粒 燃料核心 ＋ 三种涂敷层 优点：不易破损、耐高温
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2. 第二代气冷堆－改进型AGR 包壳：镁铍合金，不锈钢 燃料：天然铀，2%UO2 CO2温度 400-670℃。 1963年英国建造32MWe原型堆， 1976-1988年，运行的AGR共有14座，8.9GW。 尽管AGR在性能上比Magnox堆有了很大改进，但 由于受到CO2与不锈钢元件包壳材料化学相容性的限 制(690 ℃ )，使出口温度难以进一步提高，再加上功率 密度低、燃耗低的限制，使其仍难以和压水堆在经济 上竞争 。
• • • •
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高温气冷堆－设计概念的提出
1944 / USA
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SECRET REPORT
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HTR PEBBLE PILE
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高温气冷堆发展历史 气冷堆是反应堆发展史上最早的堆型