高温气冷堆
高温气冷堆效率比压水堆
高温气冷堆效率比压水堆高温气冷堆效率比压水堆引言：在当今能源短缺和环境问题的背景下，高效利用和开发清洁能源已经成为社会的共识。
核能作为一种高效能源，被广泛应用于发电和其他领域。
在核能发电中，高温气冷堆和压水堆是两种常见的反应堆类型。
本文将比较这两种堆类型的效率，并讨论高温气冷堆在环保和经济方面的优势。
一、高温气冷堆的基本原理和特点高温气冷堆（HTGR）是一种利用高温气体作为冷却剂的核反应堆。
其核心是一种固体燃料球，燃料球通过气体流动的方式进行冷却。
这种结构使得高温气冷堆能够达到较高的温度，通常在800℃到1000℃之间。
高温气冷堆具有以下特点：1. 高效率：由于高温气冷堆可以达到较高温度，其热效率较高，可以达到40%以上。
这是因为高温气冷堆可以利用高温产生的热量用于发电、工业和其他领域。
2. 安全性高：高温气冷堆由于采用固体燃料，燃料更加稳定，不会发生水蒸气爆炸等事故。
同时，由于气体冷却，不需要用于冷却的大量水资源，可以减少对水资源的依赖。
3.环保：高温气冷堆不会产生二氧化碳等温室气体的排放，可有效减少对环境的影响。
同时，由于采用固体燃料，核废料产生量也较低，可以减少对废弃物处理的压力。
二、压水堆的基本原理和特点压水堆（PWR）是一种利用水作为冷却剂的核反应堆。
其核心是由燃料棒和水冷却剂组成。
燃料棒在核反应中产生的热量被水冷却剂吸收并转化为蒸汽，从而驱动涡轮发电机组发电。
压水堆具有以下特点：1. 成熟技术：压水堆是目前应用最广泛的反应堆类型之一，其技术已经非常成熟，具有较高的可靠性和稳定性。
2. 安全性：压水堆采用水冷却剂，水的热传导性能较好，可以有效地控制核反应产生的热量，从而保证堆的安全性。
3. 排放问题：压水堆的主要问题是产生的二氧化碳等温室气体的排放。
这些气体对环境造成了很大的压力，同时也增加了全球温室效应的风险。
三、高温气冷堆相对于压水堆的优势1. 高效能：由于高温气冷堆可以达到较高的温度，其热效率比压水堆更高。
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。
高温气冷堆技术
高温气冷堆技术高温气冷堆技术是一种新兴的核能技术，它能够解决传统核能技术中存在的安全和环境问题。
本文将介绍高温气冷堆技术的原理、特点、应用以及未来的发展前景。
高温气冷堆技术是一种以气体为冷却剂、使用固体燃料的核能系统。
相比于传统的水冷堆技术，高温气冷堆技术具有多项优势。
首先，由于采用气体作为冷却剂，不需要大量的水资源，可以解决传统核电厂面临的水资源短缺问题。
其次，高温气冷堆技术具有较高的热效率，能够将燃料的能量更充分地转化为电能，提高能源利用效率。
此外，高温气冷堆技术还具有更好的安全性能，因为气体冷却剂的温度较高，不易在事故情况下发生蒸汽爆炸等问题。
高温气冷堆技术的核心是燃料元件和冷却剂。
燃料元件采用固体燃料，一般是含有铀-铀化合物的球形燃料颗粒。
冷却剂则采用氦或者二氧化碳等惰性气体，通过循环冷却剂，将堆芯中产生的热量转移出去。
而后，冷却剂在高温下通过换热器将热量转化为蒸汽并驱动涡轮，最终产生电能。
由于气体冷却剂的温度较高，可达到900摄氏度以上，所以称之为高温气冷堆技术。
高温气冷堆技术具有广泛的应用前景。
首先，高温气冷堆技术可以用于电力产生，提供清洁、高效的电能。
其次，高温气冷堆技术还可以用于石油炼化和化工行业，利用其高温气体可以进行高效的反应过程。
此外，高温气冷堆技术还可以用于热力供暖等领域，提供可靠的高温热能。
高温气冷堆技术在全球范围内得到了广泛的关注和研究。
许多国家已经开始了高温气冷堆技术的研发和建设。
例如，中国的“华龙一号”核电技术就采用了高温气冷堆技术。
高温气冷堆技术还与其他新兴能源技术相结合，例如核聚变技术，可以实现更稳定、安全、高效的能源供应。
然而，高温气冷堆技术在实际应用中还存在一些挑战和问题。
首先，高温气冷堆技术的燃料元件和冷却剂的选择和研发，仍然需要进一步的研究。
其次，高温气冷堆技术的建设和运行成本相对较高，需要进一步降低成本，提高经济效益。
此外，高温气冷堆技术在废物处理和核安全等方面也需要进一步研究和完善。
高温气冷堆
高温气冷堆高温气冷堆，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。
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。
高温气冷高温气冷堆，（high temperature gas cooled reactor），高温气冷堆的蒸发器能达到560℃，发电效率大大提升，高温气冷堆核电站具有良好的固有安全性，它能保证反应堆在任何事故下不发生堆芯熔化和放射性大量释放。
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。
70年代中期，中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。
1986年，在国家863计划支持下，清华大学正式开始了１０兆瓦高温气冷堆实验堆的研发。
1988～1989年，间德国的两座球床高温气冷堆反应堆相继被关闭，其原因是担心安全性。
2000年12月，建成临界。
高温气冷2003年1月，实现满功率并网发电，中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，使中国在高温气冷堆技术上处于国际先进行列。
2004年9月底，由国际原子能机构主持，清华大学核研院在10兆瓦高温气冷堆实验堆上进行了固有安全验证实验。
实验结果显示，在严重事故下，包括丧失所有冷却能力的情况下，不采取任何人为和机器的干预，反应堆能保持安全状态，并将剩余热量排出。
2006年1月，国务院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。
2008年2月，高温气冷堆核电站重大专项实施方案获国务院批准，专项牵头实施单位为清华大学核研院、华能山东石岛湾核电有限公司、中核能源科技有限公司。
2009年9月，美国能源部发表声明说：“下一代核电站（NGNP）项目将采用新型的高温气冷堆技术，一个设施支持多种工业应用，比如发电的同时进行石油精炼。
高温气冷堆的特点与应用
高温气冷堆的特点与应用高温气冷堆（High Temperature Gas-cooled Reactor，HTGR）是一种新型的核能发电技术，具有许多独特的特点和广泛的应用前景。
本文将介绍高温气冷堆的特点以及其在能源领域的应用。
一、高温气冷堆的特点1. 高温工作温度：高温气冷堆的工作温度通常在700℃以上，甚至可以达到1000℃。
相比传统的水冷堆，高温气冷堆的工作温度更高，能够提供更高的热效率。
2. 气冷散热：高温气冷堆采用气体作为冷却剂，通过直接循环冷却剂与燃料颗粒之间的热交换，实现散热。
相比水冷堆的间接循环冷却方式，气冷堆的散热效果更好，能够更高效地将热能转化为电能。
3. 燃料颗粒堆芯：高温气冷堆的燃料采用微米级的球形燃料颗粒，这些颗粒由包裹燃料核心的多层包覆层组成。
这种设计可以有效地防止燃料核心的泄漏和扩散，提高燃料的利用率和安全性。
4. 高安全性：高温气冷堆采用固体燃料和气体冷却剂，不存在液体冷却剂的蒸汽压力和蒸汽爆炸的风险。
同时，燃料颗粒堆芯的设计也能够有效地防止燃料泄漏和核裂变产物的扩散，提高了堆芯的安全性。
5. 多种燃料适应性：高温气冷堆可以使用多种燃料，包括天然气、石油、煤炭等化石燃料，以及铀、钍等核燃料。
这种多种燃料适应性使得高温气冷堆在能源转型和资源利用方面具有广阔的应用前景。
二、高温气冷堆的应用1. 核能发电：高温气冷堆作为一种新型的核能发电技术，具有高效率、高安全性和多燃料适应性的特点，被广泛应用于核能发电领域。
高温气冷堆可以提供稳定可靠的电力供应，同时还可以与其他能源形式相结合，实现能源的多元化利用。
2. 工业热能供应：高温气冷堆的高温工作温度使其可以提供高温热能，广泛应用于工业领域的热能供应。
高温气冷堆可以为工业生产提供稳定的高温热源，满足工业生产过程中的热能需求，提高能源利用效率。
3. 氢能生产：高温气冷堆可以通过核热解水的方式产生氢气，为氢能产业的发展提供可靠的能源支持。
高温气冷堆堆芯结构
高温气冷堆堆芯结构
一、引言
高温气冷堆是一种新型的核能发电技术，其堆芯结构是实现核反应的关键部分。
本文将对高温气冷堆堆芯结构进行详细介绍。
二、高温气冷堆简介
1. 高温气冷堆的基本原理
2. 高温气冷堆的特点和优势
三、高温气冷堆堆芯结构概述
1. 堆芯结构的作用和意义
2. 堆芯结构的组成部分
四、燃料元件
1. 燃料元件的作用和类型
2. 燃料元件的组成和特点
五、反应控制棒
1. 反应控制棒的作用和类型
2. 反应控制棒的组成和特点
六、热交换器管束
1. 热交换器管束的作用和类型
2. 热交换器管束的组成和特点
七、反应物质循环系统
1. 反应物质循环系统的作用和意义
2. 反应物质循环系统的组成部分
八、辐射屏蔽体系
1. 辐射屏蔽体系的作用和意义
2. 辐射屏蔽体系的组成部分
九、结构材料
1. 结构材料的作用和要求
2. 常用的结构材料
十、堆芯结构设计与优化
1. 堆芯结构设计的基本原则和方法
2. 堆芯结构优化的方法和手段
十一、堆芯结构安全性评估
1. 堆芯结构安全性评估的内容和标准
2. 堆芯结构安全性评估的方法和手段
十二、总结与展望
高温气冷堆堆芯结构是实现核反应的关键部分，其设计和优化对于高温气冷堆技术的发展具有重要意义。
未来，随着高温气冷堆技术不断发展，堆芯结构将会更加完善，为人类提供更加可靠、安全、清洁的能源。
高温气冷堆参数
高温气冷堆参数高温气冷堆是一种新型的核能发电技术，具有高效、安全、环保等特点。
其参数的设计和调整对于保证高温气冷堆的正常运行和提高电能产出至关重要。
本文将对高温气冷堆的参数进行详细介绍。
首先，高温气冷堆的参数设计需要考虑堆芯功率密度、燃料循环速率、燃料丰度、增殖比等因素。
堆芯功率密度是指单位体积的堆芯功率，一般要求高温气冷堆堆芯功率密度较高，以提高堆芯热功率密度，从而增加电能产出。
燃料循环速率是指单位时间内通过燃料元件的流量，其大小直接影响到燃料燃尽程度以及燃料寿命。
燃料丰度是指燃料元件中的铀含量，不同的燃料丰度对高温气冷堆的特性和性能有较大影响，需根据实际情况进行选择。
增殖比是指燃料中铀-235与铀-238的摩尔比值，增殖比较大可以实现铀的有效利用，提高堆芯燃尽程度。
其次，高温气冷堆的参数调整需要考虑冷却剂压力、冷却剂温度、冷却剂流量等因素。
冷却剂压力是指冷却剂通过堆芯时的压力，一般要求高温气冷堆有较高的冷却剂压力以提高冷却剂的流动速度和传热能力。
冷却剂温度是指冷却剂通过堆芯时的温度，其大小会影响堆芯温度，需要根据安全性、经济性等因素进行调整。
冷却剂流量是指单位时间内通过堆芯的冷却剂质量，其大小直接影响到堆芯的热功率以及燃料温度。
此外，高温气冷堆还有一些其他的参数，如堆心的气体粘度、燃料堆列的结构、传热面积等。
气体粘度是指堆芯中的气体流动黏性，需要保证堆芯气体的流动性和传热性。
燃料堆列的结构是指燃料元件在堆芯中的排列方式，直接影响到堆芯的热功率分布和流体流动。
传热面积是指燃料元件的外表面积和冷却剂通过燃料元件时的流动面积，其大小直接影响到传热效果和堆芯温度。
总之，高温气冷堆的参数设计和调整对于保证高温气冷堆的正常运行和提高电能产出至关重要。
通过合理的参数设计和调整，可以提高高温气冷堆的热功率密度、燃料燃尽程度、堆芯温度等指标，进而提高高温气冷堆的经济性和安全性。
随着技术的不断进步，高温气冷堆的参数也将不断优化和改进，以满足社会对清洁、高效能源的需求。
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。
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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。
8
TRISO 燃料元件
不易破损
耐高温
核心
包覆颗粒 燃料元件
9
高温气冷堆－实验堆
英 国 1960 年 建 造 20MWth 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
5
第二代气冷堆－改进型AGR
包壳：镁铍合金
不锈钢 ，
燃料：天然
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，广泛用途： 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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高温气冷堆结构特点
近20年来，模块式高温气冷堆由于安全性好，能够适应 广大能源市场（供电、供热）的需要，已成为国际高温 气冷堆技术发展的主要方向，重新引起国际核能界和工 业界的重视。
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两个模块式高温堆－柱状 &球形
中国－HTR10 日本－HTTR30
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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
燃料颗粒特点： 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
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燃料元件结构特点
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 的各种几何形状的燃 料元件。 1球形元件： 2 柱形元件
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Hale Waihona Puke 21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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HTGR堆芯结构特点
按照石墨燃料元件的结构形式分为： 1 球床堆 2 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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HTGR慢化剂
HTGR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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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1600 ⁰C的限 值。在任何运行和事故 情况下不会发生严重事 故。
堆芯 表面冷却系统
烟囱 空冷器 水箱
腔室混凝土
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 模块式高温气冷堆的概念。
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高温气冷堆－模块式
小型化＋具有固有安全特性 技术上：安全停堆，燃料温度1600℃以下； 经济上：以模块式组合、标准化生产、建造时
间短、投资风险小。 可与其他堆型核电站相竞争。
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HTGR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 5 其它优点
缺点：
密封系统
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HTGR特点
1 高温高效 2 高转换比 3 安全性高 a b c d 4 对环境污染小 可以建设在人口密集区 5 应用前景广阔
第七章 高温气冷堆 HTGR
1
世界各种堆型核电机组一览表
堆型
压水堆 沸水堆 各种气冷堆 各种重水堆 水冷却石墨堆 快中子增殖堆
总计
机组
256 92 32 43 13 2
438
功率（GW）
228 80 11 22 13
0.8 354
2
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/鉍冷快堆 – 熔盐堆
技术上是可行的。
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证明了全陶瓷性元件堆芯的现实性和可靠性 >1000度时堆芯仍能安全可靠的运行 证明了 氦气技术的现实性，
证明了堆芯结构的可靠性
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高温气冷堆－原型堆
美国1968年建造330MWe圣•符伦堡（Fort Stvrain）电 站，1976年并网。 德国1971年 建造300MWe 钍高温球床堆THTR-300， 1985年并网运行。
6
高温气冷堆－设计概念的提出
1944 / USA
Daniels‘
SECRET REPORT
on an
HTR PEBBLE PILE
7
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
3
第四代先进核能系统－高温气冷堆
模块式高温气冷堆：日本、中国领先 高温堆＋氦气透平＝未来高温堆 南非、美国、法国、俄罗斯、韩国等
都开 始投入研究，准备建堆。
中国的领先地位将受到挑战。
4
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
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50MWe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）。