高温气冷堆技术背景和发展潜力的初步研究
高温气冷堆技术发展历史
早期研究与实验
1940年代：美国橡树 岭国家实验室开始研 究高温气冷堆技术
1960年代：德国卡尔 斯鲁厄研究中心开始 研究高温气冷堆技术
1950年代：美国阿贡 国家实验室进行了高 温气冷堆实验
1970年代：日本开始 研究高温气冷堆技术， 并进行了实验
技术挑战：高温气冷堆技术仍面临一些技术难题，如 材料、安全性等方面的挑战
市场竞争：高温气冷堆技术面临与其他核电技术的竞争， 需要不断提高技术水平和降低成本以增强竞争力
4 高温气冷堆技术的未来展望
技术发展趋势
提高安全性：通过 改进设计、材料和 制造工艺，提高高 温气冷堆技术的安 全性能。
降低成本：通过优 化设计和制造工艺， 降低高温气冷堆技 术的建设和运行成 本。
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清洁能源：高温 气冷堆技术在清 洁能源领域的应 用潜力巨大
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国际合作：高温 气冷堆技术在国 际合作领域的潜 力与机遇
社会效益与影响
提高能源利用效率：高温气冷堆技术可以提高能源利用效率，减少能源消耗， 降低环境污染。
促进经济发展：高温气冷堆技术可以带动相关产业的发展，促进经发展， 增加就业机会。
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高温气冷堆技术：20世纪60年代， 美国开始研究高温气冷堆技术
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发展现状：高温气冷堆技术已成为 核能发电技术的重要发展方向之一
高温气冷堆技术的诞生
起源：20世纪40年代，美国橡树岭国家实验室开 始研究高温气冷堆技术
目的：开发一种安全、高效的核能发电技术
原理：利用高温气体作为冷却剂，直接冷却堆芯， 提高发电效率
高温气冷堆
高温气冷堆2000年12月，国家863计划重大项目——10兆瓦高温气冷实验反应堆在北京建成，并成功达到临界。
我国高温气冷堆技术的研究发展工作始于七十年代中期，主要研究单位是清华大学核能技术设计研究院。
1986年国家863计划启动后，高温气冷堆被列为能源领域的一个研究专题，在国内有关单位的协作下，完成了一些重大的创新，既确保了安全可靠，又简化了系统，达到了世界领先的水平。
那么，高温气冷堆究竟是什么呢？这要从反应堆说起。
通俗地说，反应堆就是“原子锅炉”，是通过控制核燃料的反应来产生原子能的装置。
通常，反应堆的核燃料是铀235，在中子的作用下能够产生核裂变。
一个铀235原子核吸收一个中子以后，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新的中子。
在一定的条件下，新产生的中子会引发其它的铀235原子核裂变，这种反应延续下去，就是“链式裂变反应”。
要形成“链式裂变反应”，不仅铀235要达到一定数量，还必须用慢化剂把高能量的中子减慢为“热”中子。
控制反应堆中核燃料的反应使核能缓慢释放，并用载热剂从反应堆中导出热量，就能对核能加以利用。
现在世界上大部分反应堆用的是金属管棒状燃料元件，载热剂是水，不耐高温。
即使是压水堆，最高温度也只能达到328摄氏度。
而高温气冷堆的载热剂是氦气，用石墨作为慢化剂和结构材料，通过高科技工艺制造球形包覆燃料元件。
它的堆芯温度可达1600摄氏度，氦气出口的温度高达900摄氏度，这是其它任何类型的反应堆都达不到的。
与一般的反应堆不同，清华大学核研院设计建造的10兆瓦高温气冷堆是一种新型的反应堆，不仅保证了先进性和安全性，经济效益也很突出。
首先，高温气冷堆具有固有的安全性。
它的反应控制和压力调节简单，安全系统大为简化。
即使失去冷却，全陶瓷的燃料元件也会逐渐降温，任何时候都不会发生烧毁的事故。
其次，高温气冷堆是按照模块化概念和准则设计建造的，避免了施工现场的大量焊接和检验工作，建造周期仅为2到3年；还可以连续装卸燃料，发电效率从压水堆的35%左右提高到了45%左右，在经济上可以和普通的热电厂一争高下。
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。
高温气冷堆制氢
高温气冷堆制氢高温气冷堆制氢引言：氢能作为清洁能源的重要代表，在能源转型的过程中发挥着重要作用。
然而，当前氢的生产过程中存在着高碳排放和能源浪费的问题。
高温气冷堆制氢技术成为了解决这一问题的重要途径，具有独特的优势和巨大的潜力。
一、高温气冷堆的基本原理高温气冷堆（High Temperature Gas Cooled Reactor，HTGR）是一种以气体为冷却介质的高温反应堆。
其核心部分由核燃料、反应堆芯、石墨堆心等组成。
通过核燃料的裂变反应，产生高温高压的气体。
该气体经过冷却回路冷却后，用于制取氢气。
二、高温气冷堆制氢的优势1. 高效能源利用：高温气冷堆制氢过程中，核燃料的裂变反应连续进行，热效率高达40%以上。
相较于传统热电联供，能源利用效率提升明显。
2. 低碳排放：高温气冷堆制氢的二氧化碳排放量少，高温气冷堆反应堆本身不排放污染物，符合绿色环保的发展理念。
3. 安全可靠：高温气冷堆具有设计简单、安全性高、操作灵活等特点。
石墨为核燃料的壁板具有良好的承压性能，能够抵抗高温高压等恶劣环境条件。
三、高温气冷堆制氢技术的应用领域1. 工业领域：高温气冷堆制氢技术可应用于各类工业生产中，如化工、冶金、石化等。
其中，化工领域的加氢裂化反应过程中制氢需求量大，高温气冷堆技术可满足其大规模生产要求。
2. 交通运输领域：高温气冷堆制氢可为氢燃料电池汽车提供氢气燃料，实现零排放的绿色交通。
与传统燃烧发动机相比，氢燃料电池汽车具有零污染、噪音小等优点。
3. 能源供应领域：高温气冷堆制氢技术可应用于能源供应系统中。
通过燃料电池及高温气冷堆制氢技术的联合运用，可实现清洁的氢气供应，为城市能源供应转型提供解决方案。
四、高温气冷堆制氢技术的挑战1. 经济性：高温气冷堆制氢技术发展仍面临成本高的问题。
目前，该技术的建设和运营成本相对较高，需要进一步降低成本才能在商业应用中得到推广。
2. 安全性：高温气冷堆反应堆使用高温、高压气体，具有一定的安全风险。
高温气冷堆 制氢
高温气冷堆制氢高温气冷堆制氢技术引言：随着能源需求的不断增长和环境污染的日益严重，人们对清洁能源的需求与日俱增。
氢能作为一种无污染、高能量密度的清洁能源，被广泛认为是未来的主要能源之一。
而高温气冷堆制氢技术正是一种可以实现高效、低成本生产氢能的新兴技术。
一、高温气冷堆的基本原理高温气冷堆是一种核能反应堆，通过核聚变或核裂变的方式产生高温，而后经由热交换器将热量转化为电能或热能。
其工作原理是通过将氢气从水中释放出来，从而实现制氢的目的。
高温气冷堆的工作温度通常在700°C至950°C之间，这使得气冷堆可以充分利用高温热能，以提高氢气的产量和能量转化效率。
二、高温气冷堆制氢的特点1. 高效能：高温气冷堆能够充分利用高温热能，将水分解为氢气和氧气。
相较于传统的制氢技术，高温气冷堆能够提供更高的制氢效率。
2. 低成本：与传统的电解水法相比，高温气冷堆制氢技术的成本更低，仅需很少的电能来驱动反应堆，降低了制氢过程的能源消耗。
3. 清洁环保：高温气冷堆制氢技术无二氧化碳等污染物的排放，没有二次污染的问题，对环境友好。
4. 应用广泛：高温气冷堆制氢技术不仅可以用于能源生产，还可以应用于工业、交通等领域，推动氢能在多个领域的应用。
三、高温气冷堆制氢的关键技术1. 材料技术：高温气冷堆所面临的高温和辐射环境对核燃料、热交换器和结构材料等提出了更高的要求，需要研发耐高温、辐射性能良好的材料。
2. 燃料循环技术：高温气冷堆一般使用氦气作为冷却剂，因此需要研发高温下的氦气循环系统，以提供足够的冷却能力。
3. 氢气提纯技术：高温气冷堆制氢产生的氢气中通常还包含着其他杂质，比如氮气、水蒸气等，需要通过合适的氢气提纯技术将这些杂质去除，以得到高纯度的氢气。
4. 安全技术：由于高温气冷堆使用核能，需要采取一系列严格的安全措施来确保堆的正常运行和人员的安全防护。
四、高温气冷堆制氢的应用前景高温气冷堆制氢技术在能源产业和其他行业中有着广泛的应用前景。
高温气冷堆燃料核心
高温气冷堆燃料核心高温气冷堆燃料核心是一种新型的核能技术，它具有很多优势和特点。
本文将分析高温气冷堆燃料核心的特点和应用，并探讨其在未来能源领域的发展前景。
高温气冷堆燃料核心采用气冷方式，即利用氦气作为冷却剂来带走堆芯中的热量。
相较于传统的水冷堆，这种核心具有很多优势。
首先，气冷堆不需要水资源，可以在干旱地区或水资源稀缺的地方使用，增加了核能的可用性和适用性。
其次，气冷堆的冷却剂是惰性气体氦，不产生放射性污染，对环境的影响较小。
而且，气冷堆的冷却剂循环过程中不涉及水和蒸汽，减少了事故发生的可能性，提高了核能的安全性。
此外，气冷堆还具备高温特点，使它成为一种理想的热源，可广泛用于石油、化工、冶金等工业领域。
总体而言，高温气冷堆燃料核心具有高效、安全、环保等多个优点。
高温气冷堆燃料核心的应用也相当广泛。
首先，它可用于电力生产。
高温气冷堆的工作温度可超过1000摄氏度，相较于传统的轻水反应堆，允许更高的热效率，提高了核电站的电力输出。
同时，高温气冷堆可以与其他热能源（如太阳能、风能等）相结合，形成多能联供系统，提高能源的综合利用效率。
其次，高温气冷堆还可以用于燃料生产。
它可以产生高温的过程热，使得煤炭、天然气等化石燃料便于进行催化裂化过程，提高燃料的产率和质量。
同时，高温气冷堆的中子辐照特性，使得它可以用于核燃料再加工、核废料处理等领域。
高温气冷堆燃料核心还有很多技术和工程上的挑战。
首先，高温气冷堆需要能够承受高温、高压及辐射的结构材料，如石墨、陶瓷等。
这些材料的研发和应用需要更多的基础科学研究和工程技术支持。
其次，高温气冷堆的自动化控制和安全性监控是关键和难点。
传统的控制方法在高温气冷堆上无法直接适用，需要开发新的控制策略和系统，确保核能的安全和可靠性。
此外，高温气冷堆的投资和运营成本也是一个重要的问题，需要寻求资金和政策的支持。
尽管存在一些技术和经济上的挑战，高温气冷堆燃料核心在未来能源领域仍然具有广阔的发展前景。
中国高温气冷堆制氢发展战略研究
中国⾼温⽓冷堆制氢发展战略研究⼀、前⾔氢是重要的⼯业原料，也是未来理想的⼆次能源或能源载体；氢作为⼆次能源便于储存和运输，且可以直接作为燃料使⽤。
除传统的合成氨、合成甲醇、⽯油精炼外，氢⽓在氢冶⾦、煤液化以及燃料电池汽车等领域都能够得到⼤规模利⽤。
利⽤核能制氢，可以实现氢⽓的⾼效、⼤规模、⽆碳排放制备。
在国家“863 计划”⽀持下，我国 10 MWt ⾼温⽓冷试验堆已在清华⼤学核能与新能源技术研究院建成并实现满功率运⾏。
在国家科技重⼤专项⽀持下，200 MWe ⾼温⽓冷堆核电站⽰范⼯程的建设正在进⾏ [1]；核能制氢和氦⽓透平等前瞻性技术的研发已开展。
在可⽤于核能制氢的反应堆堆型中，⾼温⽓冷堆因其⾼出⼝温度和固有安全性等优势，被认为是最适合⽤于制氢的堆型[2]。
核能制氢是⾼温⽓冷堆发电外最重要的⽤途，将为未来⾼温堆的应⽤拓展新的领域。
核能制氢技术研发既有利于保持我国⾼温⽓冷堆技术的国际领先优势，也为未来氢⽓的⼤规模供应提供了⼀种有效的解决⽅案，同时可为⾼温堆⼯艺热应⽤开辟新的⽤途，对实现我国未来的能源战略转变具有重⼤意义。
⼆、核能制氢技术简述核能制氢就是利⽤核反应堆产⽣的热作为⼀次能源，从含氢元素的物质⽔或化⽯燃料制备氢⽓。
（⼀）制氢⽤反应堆⽬前⼴泛⽤于发电的压⽔堆等堆型利⽤⾼温蒸汽作为热载体，由于出⼝温度相对较低，主要⽤于发电。
第四代核能系统论坛（GIF）筛选了 6 种堆型（包括钠冷快堆、⽓冷快堆、铅冷快堆、熔盐堆、超临界⽔堆、超 / ⾼温⽓冷堆）作为未来发展的⽅向，除在经济性、安全性、可持续性等⽅⾯的⽬标外，希望能有效拓展核能在⾮发电领域的应⽤。
在这 6 种堆型中，超 / ⾼温⽓冷堆由于具有固有安全性、⾼出⼝温度、功率适宜等特点，被认为是⾮常适合⽤于制氢的堆型 [3]。
在 GIF 中专门设置了⾼温堆制氢项⽬管理部，协调国际上核能制氢相关的国家交流与合作。
（⼆）核能制氢技术作为⼀种⼆次能源或能源载体，氢⽓需要利⽤⼀次能源从含氢物质来制取。
高温气冷堆技术阶段
高温气冷堆技术阶段高温气冷堆技术阶段引言：随着能源需求的不断增长和传统能源的有限性，人们对新型能源技术的研究和开发越来越重视。
高温气冷堆技术作为一种新型的核能技术，在解决能源供应和环境保护方面具有巨大的潜力。
本文将探讨高温气冷堆技术的定义、原理、发展阶段以及未来展望。
一、高温气冷堆技术的定义：高温气冷堆技术是指利用高温下的气冷冷却剂来驱动堆芯的一种核能技术。
相比传统的水冷堆技术，高温气冷堆技术具有更高的燃烧温度和更高的热效率，能够更好地利用核燃料的能量，同时减少对水资源的依赖。
二、高温气冷堆技术的原理：高温气冷堆技术通过将堆芯中的燃料棒放置在高温下，并使用气体（如氦气或氦-氖混合气体）作为冷却剂。
堆芯中的燃料棒在高温下发生裂变，产生大量的热能。
冷却剂通过流动循环来带走燃料棒释放的热能，并将其传递给工质，从而产生蒸汽驱动涡轮机发电。
三、高温气冷堆技术的发展阶段：1. 理论阶段：高温气冷堆技术的起源可以追溯到20世纪50年代末，当时科学家们开始研究在核反应堆中使用气体作为冷却剂的可能性。
在这一阶段，科学家们主要进行理论推演和计算模拟，探索高温气冷堆技术的可行性和优势。
2. 实验阶段：20世纪60年代，科学家们开始进行实验验证高温气冷堆技术的可行性。
他们利用实验堆进行模拟，研究不同气体冷却剂的特性和行为。
这阶段的研究结果为后期的工程应用提供了基础。
3. 工程应用阶段：20世纪70年代至今，高温气冷堆技术逐渐进入工程应用阶段。
研究人员在实验堆的基础上进行了一系列工程化设计，并成功建立了多个高温气冷堆示范项目。
这些示范项目在能源供应和环境保护方面取得了显著的效果，为高温气冷堆技术的发展奠定了基础。
四、高温气冷堆技术的未来展望：1. 提高安全性：虽然高温气冷堆技术的安全性相对较好，但在使用过程中仍存在一定的安全风险。
未来的研究将致力于提高高温气冷堆的安全性，减少潜在的事故风险，并进一步优化核材料的选择和堆芯设计。
高温气冷堆技术概述
⾼温⽓冷堆技术概述哈尔滨⼯程⼤学核科学与技术学院实习专题报告摘要近年来，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。
本⽂就⾼温⽓冷堆发展现状，回顾了其发展历程，介绍了⾼温⽓冷堆堆体结构和循环⽅案，阐述了其安全和经济性能，并针对发展过程中存在的主要技术问题进⾏分析。
最后，介绍了⾼温堆在核能制氢和海⽔淡化⽅⾯的应⽤。
本⽂因篇幅有限，未能对上述问题展开详细分析，且未讲述⾼温堆的设计⽅法、燃料系统等，但也是先关⼈员了解⾼温堆有⽤的材料。
关键词：⾼温⽓冷堆；HTR-10；结构；性能；技术问题1哈尔滨⼯程⼤学核科学与技术学院实习专题报告⽬录⼀、⾼温⽓冷堆概述 (1)1. ⾼温⽓冷堆的概念及类型 (1)2.⾼温⽓冷堆的发展历史 (1)3. 我国⾼温⽓冷堆的发展 (2)⼆、HTR-10堆体结构及特点 (3)1. HTR-10的主要参数及其结构 (3)2. HTR-10堆体结构及主要部件 (4)3. HTR-10堆结构设计特点 (8)三、⾼温⽓冷堆透平循环技术 (9)1. 直接循环 (9)2.间接循环 (9)3. 热⼒循环效率简单分析 (10)四、⾼温⽓冷堆的性能 (11)1. 安全性 (11)2.经济性 (15)五、⾼温⽓冷堆存在的技术问题 (17)1. ⽯墨粉尘 (17)2. ⽯墨氧化 (17)3. 氦⽓轮机 (19)六、⾼温⼯艺热的应⽤ (20)1. 海⽔淡化 (20)2. 核能制氢 (21)七、结语 (22)参考⽂献 (23)2哈尔滨⼯程⼤学核科学与技术学院实习专题报告⼀、⾼温⽓冷堆概述1、⾼温⽓冷堆的概念及类型⾼温⽓冷堆（high temperature gas-cooled reactor，HTGR）⽤化学惰性和热⼯性能良好的氦⽓作为冷却剂，⽯墨作为反射层、慢化剂和堆芯结构材料，采⽤包覆燃料颗粒弥散在机体中的全陶瓷型燃料元件，使堆芯氦⽓出⼝温度850—1000℃，甚⾄更⾼。
高温气冷堆技术是买的
高温气冷堆技术是买的高温气冷堆技术是买的引言近年来，能源领域的发展受到全球变暖和环境污染等因素的挑战。
传统能源源源不断地释放二氧化碳和其他温室气体，对地球的生态环境和人类的健康产生了巨大的影响。
为了减少对环境的影响和实现可持续发展，各国纷纷寻求清洁能源解决方案。
在这方面，高温气冷堆技术（HTGR）被认为是一种具有巨大潜力的能源解决方案。
一、高温气冷堆技术的介绍高温气冷堆技术是一种基于核能的能源发电技术，它使用高温气体作为冷却剂。
与传统的核电站相比，高温气冷堆技术具有许多优势。
首先，它具有高填充率，可以更有效地利用核燃料。
其次，高温气冷堆技术的燃料是固体的，不存在液体泄露或蒸发的风险。
此外，它还具有更高的燃料使用效率，可以减少核废料的产生。
最重要的是，高温气冷堆技术产生的核废料的寿命相对较短，使其处理更加容易。
二、高温气冷堆技术的工作原理高温气冷堆技术的核心是核燃料和冷却剂。
核燃料通常是球形的石墨球，里面含有可分裂的铀和钍等燃料物质。
冷却剂则为高温的氦气，在高温下通过导热划过核燃料球。
当核燃料受到冷却剂的热去除后，产生的热量被转化为蒸汽，用来驱动涡轮发电机。
高温气冷堆技术的关键在于控制石墨球和冷却剂的温度，确保核燃料的稳定和有效的冷却。
三、高温气冷堆技术的应用高温气冷堆技术具有广泛的应用前景。
首先，作为一种清洁能源解决方案，高温气冷堆技术可以有效降低二氧化碳和其他温室气体的排放。
其次，高温气冷堆技术还可以应用于工业生产中的高温过程。
例如，它可以用于水热解制氢、石油加氢和煤气化等过程。
此外，高温气冷堆技术还可以用于提供供热和供电的城市能源系统，解决能源供应的问题。
因此，高温气冷堆技术具有巨大的市场潜力。
四、高温气冷堆技术的挑战和前景尽管高温气冷堆技术具有许多优点和应用前景，但其也面临着一些挑战。
首先，高温气冷堆技术对核燃料的要求较高，这需要确保燃料的安全和稳定。
此外，高温气冷堆技术的开发和建设成本也较高，需要大量的投资和技术支持。
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第22卷 第4期核科学与工程Vo1.22 No.4
2002年 12月ChineseJournalofNuclearScienceandEngineeringDec. 2002
作者简介:王 捷,副教授。1996年毕业于日本东京工业大学获博士学位,现从事高温气冷堆的设计研究工作。高温气冷堆技术背景和发展潜力的初步研究王 捷(清华大学核能技术设计研究院,100084)摘 要:从能源供应和环境保护的角度,论证了核能工业的重要性;然后对高温堆氦气轮机循环进行了分析,结果表明发电效率达4719%;最后通过几种先进堆型的对比,阐明了高温气冷堆的技术优势。高温气冷堆很有潜力成为第四代核能系统的堆型之一。关键词:高温气冷堆;氦气轮机直接循环;第四代核能系统
1 前 言就世界范围而言,当前发电、取暖、交通和工业生产,所消耗能源的85%来自煤炭、石油和天然气等化石燃料,也就是说,全世界的能源消耗主要依赖于化石燃料[1]。化石燃料通过燃烧产生能量,因此给环境带来了很大的压力。例如,SO
2会形成酸雨,NOx会形成烟雾,燃烧
颗粒会损害人们的呼吸系统,特别是CO
2会引
起地球的温室效应。1997年12月各国首脑集中于日本京都讨论环境保护问题,会上达成了各国限制过量使用化石燃料,以减少CO
2排放
量的共识。随着经济的发展和人们生活水平的提高,
能源消耗的需求量越来越大。对于我国来说,
预计到2050年能源消耗量为3516亿～4112
亿t标煤,而供应量预计为3214亿t标煤,缺口达312亿～818亿t标煤,形势十分严峻[2]。如何满足能源消耗不断增长的需求又不增加环境压力,原则上应该在两个方面同时努力,一是加强节能措施,二是开发清洁能源,如太阳能、风能、水力发电等,但是根据现有的经验这些能源形式受诸多自然条件的限制,不可能在能源供应中担当主角[1]。
核能是一种清洁、无空气污染的能源,而且是一项成熟的技术,可以大规模替代化石燃料。从我国的能源供求情况来看,核能在21世纪中将在我国能源体系中发挥重要作用。到2050
年核电规模应大于112亿～118亿kW
[2]
,为解
决我国未来能源供应短缺,改善能源结构,减轻环境污染作出贡献。
2 高温气冷堆211 高温气冷堆主要特征高温气冷堆(HTGR)是核能反应堆中的一
种堆型,是在早期气冷堆,改进型气冷堆基础上发展起来的先进堆型。高温气冷堆的燃料元件,是弥散在石墨球基体中的全陶瓷型包覆颗粒(见图1)。这种燃料元件的特征,是将所有裂变产物完全阻挡在完整包覆颗粒的SiC层内,从而极大地提高了反应堆的安全性[3]。中子慢化材料、反射层材料、燃料元件结构材料和堆芯结构材料均采用石墨。冷却剂则是化学惰性气体氦气。由于堆芯为耐高温的全陶瓷型结构,堆芯出口温度可达950℃,甚至更高。模块式高温气冷堆是在以往大型高温气冷堆的基础上发展起来的。其主要特点,首先,反应堆规模小型化,以保证在任何事故条件下堆芯热量都可以通过自然对流、热传导和热辐射
523图1 高温气冷堆球形燃料元件Fig.1 PebblefuelelementofHTGR
传出堆外,使燃料元件温度始终低于安全值1600℃。也就是说,反应堆具有固有安全性[4]。其次,由于反应堆规模的小型化,可以采用模块化建造方案,从而降低成本,提高了经济竞争力。212 基本安全特性模块式高温气冷堆(以下简称高温气冷堆或高温堆)的安全特性,可以从以下3个方面得到保障[5]。(1)阻止放射性释放的多重屏障。反应堆
设有3道安全屏障以阻止放射性释放,第1道屏障是全陶瓷包覆颗粒燃料元件,试验表明在1600℃高温下包覆层能保持其完整性,把放射性产物几乎全部阻留在燃料颗粒内。第2道屏障是一回路压力边界,由反应堆压力容器、蒸汽发生器压力容器(或能量转换压力容器)和连接这两个容器的热气导管压力容器组成。第3
道屏障是包容体,由一回路舱室、氦净化系统舱室、燃料装卸系统舱室组成。(2)余热排除的固有安全特性。在事故工
况下,如果一回路冷却剂失压,主传热系统和辅助传热系统全部失效,堆芯余热仍可通过热传导、热辐射和自然对流等自然机理传出堆外,保证堆芯燃料元件的最高温度不超过其安全限值1600℃。因此,余热排出系统是具有固有安全性的。(3)负反应性温度系数具有很大的反应性
补偿能力。反应堆具有较大的燃料和慢化剂负反应性温度系数,且在正常情况下燃烧元件的最高温度与其允许的温度限值之间还有相当大
的裕度。因此,借助于负反应性温度系数所提供的反应性补偿能力,当发生正反应性引入事故时,反应堆可以依靠自身的负反应性温度系数的反应性补偿能力,实现自动停堆。213 10MW高温气冷实验堆(HTR210)10MW高温气冷实验堆(HTR210),是国家“863”计划中能源领域的重点项目之一,由清华大学核能技术设计研究院负责设计建造。HTR210于2000年底达到首次临界,计划于2002年底满功率运行。HTR210的建成使我国高温气冷堆技术进入了国际先进行列,并为我国建造商用化高温气冷堆电站建立了技术基础。
图2 10MW高温气冷实验堆Fig.2 10MWhightemperaturegas2cooledreactor(HTR210)
HTR210的堆体与一回路简图如图2所示[6]。HTR210的设计体现了模块式球床高温气冷堆的主要技术特点。因此,该堆将首次提供一个核实验装置,来实现验证模块式高温堆的一些特性。反应堆与蒸汽发生器分别装入两个压力容器内,其间用热气导管压力容器相连接,构成“肩并肩”的布置方式。反应堆压力容器、蒸汽发生器压力容器与热气导管压力容器组成一回路压力边界,并安装在一个混凝土屏
623蔽舱室内。HTR210的主要设计参数列于表1[6]。
表1 HTR210 主要设计参数Table1 MaindesignparametersoftheHTR210
反应堆热功率10MW
一回路氦气压力3MPa
堆芯出口氦气温度700℃堆芯入口氦气温度250℃一回路氦气流量413kgΠs
燃料UO2
235U加浓度17%
平均燃耗80000MWdΠt
蒸汽发生器出口蒸汽压力4MPa
蒸汽发生器出口蒸汽温度440℃蒸汽发生器给水温度104℃蒸汽流量1215tΠh
3 高温气冷堆氦气轮机直接循环方案
高温气冷堆氦气轮机直接循环方案,是将氦气轮机与模块式高温气冷堆相结合,利用高温堆产生的高温工质直接推动气轮机进行高效率发电的构想。高温气冷堆氦气轮机直接循环方案是建立在闭式布雷登(Brayton)循环的理论基础上的。其热力循环图如图3所示。加压氦气经过反应堆堆芯后被加热,这一高温高压氦气直接冲击涡轮机做功,涡轮机带动发电机发电同时也带动压气机压缩氦气。涡轮机的尾气仍然具有较高温度,经过回热器低压侧后将热量传输给高压侧氦气,然后进入预冷器降至低温。低温氦气进入带有中间冷却器的压气机机组,然后被压缩成高压氦气。高压氦气经回热器高压侧后被加热至接近涡轮机的排气温度,然后再进入反应堆堆芯重复被加热过程。从热力学的角度来看,氦气轮机直接循环的效率主要由4个因素决定。(1)堆芯出口温度(涡轮机进口温度);(2)压气机进口温度;(3
)
部件效率(包括系统压力损失率);(4)压缩比。
图3 高温气冷堆氦气轮机直接循环方案Fig.3 HTGRdirectgasturbinecycle
对于一个具体的热力循环系统来说,(1)～(3)的参数主要受材料强度、环境温度和制造水平的限制,其值基本上无多大变化范围。而余下的参数压缩比却有一定的变化范围,与循环效率的关系中存在着极值[7]。表2显示了氦气轮机直接循环的优化条件和结果。鉴于我国在球床堆技术上已有一定基础,故选择球床堆作为研究对象。因此,堆芯出口温度取900℃。压气机进口温度受设冷水的限制,取保守值35℃。表2中的部件效率(包括系统压力损失率),经初步调研被认为是在现有的技术条件下可能实现的值。本文以这三种参数作为条件,以循环效率为目标,以压缩比为变量进行优化计算,结果为:循环效率4816%,
压缩比2115。此时堆芯进口温度为616℃,回热器与堆芯功率之比为1184。为了降低工程制造难度,对上述优化问题再加上堆芯进口温度≤550℃的约束条件,优化结果则为:效率4719%,压缩比2174。此时堆芯入口温度为550℃,回热器与堆芯功率之比为1125。由此可见这一约束条件使堆芯进口温度明显下降,
回热器尺寸明显减小,而付出的代价是循环效率仅下降017%。根据以上的优化结果,310MW高温堆氦气轮机直接循环系统各节点的热力学参数如图3所示,各部件功率列于表3。723