高温气冷堆技术及堆芯中子动力学仿真计算

1、报告内容报告内容一、背景及发展一、背景及发展二、主要特点二、主要特点三、燃料元件三、燃料元件四、堆体结构四、堆体结构五、热工水力特性五、热工水力特性六、堆芯中子动力学仿真计算六、堆芯中子动力学仿真计算一、背景及发展一、背景及发展 随着全球经济的发展，对能源的需求在持续增加，随着全球经济的发展，对能源的需求在持续增加，由于能源资源量的限制，核能的作用是不可替代的。由于能源资源量的限制，核能的作用是不可替代的。 和化石燃料相比，核能是一种和化石燃料相比，核能是一种清洁的能源清洁的能源，使用核能，使用核能可减少对化石燃料的依赖，减少可减少对化石燃料的依赖，减少CO2和和氮氧化物氮氧化物的排的排放，缓

2、解全球温室效应，符合可持续发展战略。放，缓解全球温室效应，符合可持续发展战略。 核反应堆发展历程和方向核反应堆发展历程和方向高温气冷堆发展历史高温气冷堆发展历史 第一阶段第一阶段早期气冷堆（早期气冷堆（Magnox） 石墨慢化，石墨慢化，CO2冷却，天然铀为燃料，镁诺克斯合金作为包冷却，天然铀为燃料，镁诺克斯合金作为包壳材料。壳材料。 第二阶段第二阶段改进型气冷堆（改进型气冷堆（AGR） 石墨慢化，石墨慢化，CO2冷却，冷却，2%左右的低加浓铀为燃料，不锈钢左右的低加浓铀为燃料，不锈钢作为包壳材料。作为包壳材料。 第三阶段第三阶段高温气冷堆（高温气冷堆（HTGR） 石墨慢化，氦气冷却，全陶瓷型

3、包覆颗粒燃料。石墨慢化，氦气冷却，全陶瓷型包覆颗粒燃料。 第四阶段第四阶段模块式高温气冷堆模块式高温气冷堆（MHTGR） 小型化小型化+ +固有安全性。固有安全性。第一阶段第一阶段 早期气冷堆：早期气冷堆：Magnox堆堆 石墨为慢化剂，石墨为慢化剂，CO2气体为冷却剂，金属天然铀为燃料，气体为冷却剂，金属天然铀为燃料， 镁诺克斯镁诺克斯(Magnox）合金为燃料棒的包壳材料。合金为燃料棒的包壳材料。 英国英国(1956年，年，45MW），后来在在英、法、意、日等建成），后来在在英、法、意、日等建成一大堆这样的堆。一大堆这样的堆。 缺点：缺点： 受限于金属铀和镁合金包壳不能耐更高的温度，受限于

4、金属铀和镁合金包壳不能耐更高的温度， Magnox堆的参数不能进一步提高。堆的参数不能进一步提高。 二氧化碳出口温度：二氧化碳出口温度：345400度；度； 冷却气体工作压力：冷却气体工作压力：820个大气压；个大气压； 热效率：热效率：19.1%30%第二阶段第二阶段 改进型气冷堆（改进型气冷堆（AGR）包壳：不锈钢（代替镁诺克斯）包壳：不锈钢（代替镁诺克斯） 燃料：燃料：2%铀（代替天然铀）铀（代替天然铀） CO2 温度：温度：670（400） 英国英国 (1963年，年，34MW） 缺点：缺点： 尽管尽管AGR在性能上比在性能上比Magnox堆有了很大改进，但由于受堆有了很大改进，但由于

5、受到到CO2与与不锈钢元件不锈钢元件包壳材料包壳材料化学相容性的限制化学相容性的限制(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的限制，使其仍难以和压水堆在经济上竞争 。 二氧化碳进出口温度：二氧化碳进出口温度：290/675度；度；40个大气压；个大气压； 热效率：热效率：40%第三阶段第三阶段 高温气冷堆（高温气冷堆（HTGR） 采用采用氦气氦气作为冷却气体：化学性能惰性，热工性能良好。作为冷却气体：化学性能惰性，热工性能良好。 燃料元件：燃料元件：全陶瓷型包覆颗粒全陶瓷型包覆颗粒

6、慢化剂和堆芯结构材料：耐高温的慢化剂和堆芯结构材料：耐高温的石墨石墨 特点：特点： 氦气温度提高到氦气温度提高到750度以上甚至可达度以上甚至可达950-1000度，堆芯功率度，堆芯功率密度达密度达6-8兆瓦立方米，用于发电的热效率可达兆瓦立方米，用于发电的热效率可达40左右，左右，而用于高温供热时总热效率可达而用于高温供热时总热效率可达60以上。以上。 高温气冷堆（高温气冷堆（HTGR） 英国英国1964年建造年建造20MWth试验堆试验堆“龙堆龙堆”（Dragon）。）。 美国美国1967年建成年建成40MWe桃花谷桃花谷（Peach Bottom）实验堆。实验堆。 德国德国1966年建成

7、年建成15MWe的球床高温气冷堆（的球床高温气冷堆（AVR），），并发并发展了具有自己特色的球形燃料元件和球床高温堆。展了具有自己特色的球形燃料元件和球床高温堆。龙堆龙堆,64年达到临界，年达到临界，66年满功率运行，年满功率运行，76年退役年退役桃花谷桃花谷,67年建成并运年建成并运行，行，74年退役年退役AVR,66年建成并运行，年建成并运行，74年将氦气出口温度提年将氦气出口温度提高到高到950度运行，度运行，88年年退役退役目前已建成的高温气冷堆目前已建成的高温气冷堆项目项目桃花谷桃花谷龙堆龙堆AVR圣圣.符伦符伦堡堡THTR-300HTTRHTR-10国家国家美国美国英国英国德国德国

8、美国美国德国德国日本日本中国中国开建时间开建时间1962196019611968197119911995临界时间临界时间1966196419661976198519982000退役时间退役时间19741976198819901997-热功率（热功率（MW）11520468407503010电功率（电功率（MW)40153303002.59功率密度功率密度（MW/m3）8.3142.66.362平均燃耗平均燃耗（MWd/t）6000030000700001000001140002200080000出出/入口温度（度）入口温度（度） 728/344750/350950/275785/406750/

9、260950/395700/250燃料形状燃料形状棱柱块棱柱块棱柱块棱柱块球床球床棱柱块棱柱块球床球床棱柱块棱柱块球床球床清华大学清华大学1010兆瓦高温气冷实验堆兆瓦高温气冷实验堆 （HTR-10HTR-10）HTR-10反应堆压力容器顶部反应堆压力容器顶部HTR-10反应堆顶部反应堆顶部HTR-10反应堆容器和蒸汽发生器容器顶部反应堆容器和蒸汽发生器容器顶部(“肩并肩肩并肩”布置布置) HTR-10堆芯底部氦气出口热气联箱堆芯底部氦气出口热气联箱HTR-10主控室主控室第四阶段第四阶段 模块式高温气冷堆（模块式高温气冷堆（ MHTGR ） 背景：美国三里岛事故发生后，人们设法实现核反应堆的

10、背景：美国三里岛事故发生后，人们设法实现核反应堆的“绝对安全绝对安全”。希望在任何事故情况下都不会发生大的核。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的实现反应堆的固有安全性固有安全性。 特点：特点： 小型化小型化 固有安全性固有安全性 目前在建：目前在建： 我国的我国的HTR-PM 南非的南非的PBMR（已暂停）（已暂停）小型化：以保证在任何事故条件下堆芯热量都可小型化：以保证在任何事故条件下堆芯热量都可以通过自然对流、热传导和热辐射传出堆外。以通过自然对流、热传导和热辐射传出堆外。

11、国家重大专项国家重大专项中国核电技术路线中国核电技术路线二、主要特点二、主要特点安全性好安全性好发电效率高发电效率高用途广泛用途广泛燃耗较深，核燃料利用率高燃耗较深，核燃料利用率高厂址选址灵活厂址选址灵活1、安全性好、安全性好 在技术上能够保证在任何情况下都不会发生堆芯熔毁、放在技术上能够保证在任何情况下都不会发生堆芯熔毁、放射性外泄等危害公众和环境安全或必须厂外应急的严重事射性外泄等危害公众和环境安全或必须厂外应急的严重事故。故。 （1）采用全陶瓷包覆颗粒燃料元件）采用全陶瓷包覆颗粒燃料元件 采用全陶瓷包覆燃料元件，其破损外溢放射性的可能性极采用全陶瓷包覆燃料元件，其破损外溢放射性的可能性极

12、低。低。 （2）采用全陶瓷堆芯结构材料）采用全陶瓷堆芯结构材料 石墨和碳块的熔点都在石墨和碳块的熔点都在3000以上，绝不会发生堆芯熔毁以上，绝不会发生堆芯熔毁 的严重事故。的严重事故。（3）采用氦气作冷却剂）采用氦气作冷却剂 惰性气体，不发生化学反应，与反应堆的结构材料相容性好，惰性气体，不发生化学反应，与反应堆的结构材料相容性好，避免了以水作冷却剂与慢化剂的反应堆中的各种腐蚀问题。避免了以水作冷却剂与慢化剂的反应堆中的各种腐蚀问题。（4）阻止放射性的多重屏障）阻止放射性的多重屏障 纵深防御，纵深防御，4道屏障。道屏障。 第第1道屏障：全陶瓷的包覆颗粒燃料的热解碳和碳化硅包覆；道屏障：全陶瓷

13、的包覆颗粒燃料的热解碳和碳化硅包覆； 第第2道屏障：燃料元件外层的石墨包壳。道屏障：燃料元件外层的石墨包壳。 第第3道屏障：由反应堆和蒸汽发生器压力壳道屏障：由反应堆和蒸汽发生器压力壳 和连接这和连接这2个压力壳个压力壳 的热气导管压力的热气导管压力 壳组成的一回路压力边界。壳组成的一回路压力边界。 第第4道屏障：包容体（一回路舱室等）。道屏障：包容体（一回路舱室等）。（5）非能动的余热排出系统）非能动的余热排出系统（6）反应性瞬变的固有安全性）反应性瞬变的固有安全性高温气冷堆引入正反应性的事故主高温气冷堆引入正反应性的事故主要有要有3种：种： 在功率运行条件下全部控制棒误抽出事故；在功率运行

14、条件下全部控制棒误抽出事故； 当蒸汽发生器出现断路事故时，二回路的水蒸当蒸汽发生器出现断路事故时，二回路的水蒸汽进入一回路氦气冷却剂及堆芯燃料元件之间的汽进入一回路氦气冷却剂及堆芯燃料元件之间的空隙中，造成水进入堆芯的事故；空隙中，造成水进入堆芯的事故； 吸收小球瞬时排出的事故吸收小球瞬时排出的事故700700度的裕度，负反应温度系数度的裕度，负反应温度系数空空冷冷器器反反应应堆堆水冷壁水冷壁 非能动非能动余热排出系统余热排出系统石墨材料石墨材料中子吸收截面较少，中子经济性好，较多的中子吸收截面较少，中子经济性好，较多的剩余中子可以用来将剩余中子可以用来将232232ThTh和和238238U

15、 U转化成转化成233233U U和和239239PuPu，核燃料，核燃料的转化比可达的转化比可达0.850.85。可以实现。可以实现钍钍铀循环铀循环2 2、燃耗较深，核燃料利用率高、燃耗较深，核燃料利用率高包覆颗粒的燃耗可以达到包覆颗粒的燃耗可以达到150000MW.d/t，甚至更高。提高乏，甚至更高。提高乏燃料的燃耗深度可以降低燃料元件的成本。但是，随着燃耗燃料的燃耗深度可以降低燃料元件的成本。但是，随着燃耗的加深，裂变产物的累积也增加，增加了裂变产物的反应性的加深，裂变产物的累积也增加，增加了裂变产物的反应性损失。损失。3 3、发电效率高、发电效率高5 5、用途广泛、用途广泛可以提供可以

16、提供950950度的高温氦气度的高温氦气, , 可以获得更高的发电功率；氦可以获得更高的发电功率；氦气透平直接循环方式是高温气冷堆高效发电的主要发展方气透平直接循环方式是高温气冷堆高效发电的主要发展方向。向。发电；发电；工艺热利用：制氢、海水淡化、煤气化液化等工艺热利用：制氢、海水淡化、煤气化液化等4 4、厂址选址灵活、厂址选址灵活由于单堆功率小，可以采用空气冷却塔散热，可以建在冷由于单堆功率小，可以采用空气冷却塔散热，可以建在冷水水源不足的地方。水水源不足的地方。三、燃料元件三、燃料元件 燃料颗粒组成：燃料颗粒组成：核芯、缓冲层、核芯、缓冲层、SiC层、热解碳层层、热解碳层（内、外）（内、外

17、） 核芯：燃料，如核芯：燃料，如UO2、PuO2、ThO2 缓冲层：低密度的热解碳，密度约缓冲层：低密度的热解碳，密度约 为为1.1g/cm3，其中有很多的，其中有很多的 空隙，可以容纳气态裂变产物。空隙，可以容纳气态裂变产物。 热解碳层：致密热解碳，密度约为热解碳层：致密热解碳，密度约为 1.9g/cm3，承压，阻止裂变，承压，阻止裂变 产物的扩散迁移。产物的扩散迁移。 SiC层层：碳化硅具有更好的机械性能。承：碳化硅具有更好的机械性能。承压，阻留裂变产物。用以防止金属裂变压，阻留裂变产物。用以防止金属裂变碎片铯、锶、钡等的扩散迁移。碎片铯、锶、钡等的扩散迁移。核芯核芯缓冲层缓冲层SiC层层

18、热解碳层热解碳层60mm1mm0.5mm 每个燃料球中含有每个燃料球中含有约约2万颗包覆燃料颗万颗包覆燃料颗粒粒核芯：核芯： UO2包覆颗粒包覆颗粒石墨球石墨球u燃料元件的温度限制：燃料元件的温度限制：1600度度二氧化铀芯块多孔碳(缓冲层)碳化硅热解碳PARTICLESCOMPACTSFUEL ELEMENTS棱形燃料元件棱形燃料元件u燃料元件的温度限制：燃料元件的温度限制：1600度度u主要受限于主要受限于SiC层材料温度性能层材料温度性能的限制。的限制。 燃料温度超过燃料温度超过1250度，将度，将出现金属裂变产物从包覆出现金属裂变产物从包覆颗粒向外迁移。颗粒向外迁移。 燃料温度超过燃料

19、温度超过1600-1650度，度，开始出现裂变产物对开始出现裂变产物对SiC层层的侵蚀。的侵蚀。 燃料温度超过燃料温度超过2100度，出度，出现现SiC层热稳定性问题。层热稳定性问题。 u SiC层发生破损时，铀燃耗后产生的裂变产物将扩散出来，层发生破损时，铀燃耗后产生的裂变产物将扩散出来，进入一回路中，一部分固体裂变产物沉积在石墨粉尘上，一进入一回路中，一部分固体裂变产物沉积在石墨粉尘上，一部分沉积在蒸发器传热管上。部分沉积在蒸发器传热管上。uSiC层破损：层破损：制造过程破损、辐照破损制造过程破损、辐照破损 制造过程破损：包覆工艺中或者球形燃料元件压制过程制造过程破损：包覆工艺中或者球形燃

20、料元件压制过程 辐照破损：包覆颗粒受到各种辐照破损机制的影响出现破辐照破损：包覆颗粒受到各种辐照破损机制的影响出现破损，与燃耗深度和运行温度密切相关。损，与燃耗深度和运行温度密切相关。u一旦发生一回路系统失压事故，这些放射性将释放到周围环一旦发生一回路系统失压事故，这些放射性将释放到周围环境中。境中。u氦气透平直接循环，裂变产物还可能沉积在氦气透平发电机氦气透平直接循环，裂变产物还可能沉积在氦气透平发电机组上。组上。四、堆体结构四、堆体结构堆芯由球形燃料元件和石墨反射层堆芯由球形燃料元件和石墨反射层组成。组成。球形燃料元件球形燃料元件: 堆顶部连续装入，堆顶部连续装入，堆芯底部卸料管连续卸出。

21、卸出的堆芯底部卸料管连续卸出。卸出的乏燃料经过燃耗测量后决定是否再乏燃料经过燃耗测量后决定是否再次送回堆内使用次送回堆内使用两套控制和停堆系统两套控制和停堆系统(侧向反射层内侧向反射层内)。控制棒系统控制棒系统:用于功率调节和反应堆热停用于功率调节和反应堆热停堆；堆；小球停堆系统小球停堆系统:吸收体小球直径为吸收体小球直径为10 mm的含碳化硼的石墨球，用于长期冷停堆。的含碳化硼的石墨球，用于长期冷停堆。内壁面凹坑：防止内壁面凹坑：防止“结晶化结晶化”现象现象球床堆芯的球床堆芯的优点优点是：是： 采用采用不停堆换料不停堆换料有利于提高堆的可用率；有利于提高堆的可用率； 功率分布和燃料的燃耗深度

22、都较均匀；功率分布和燃料的燃耗深度都较均匀； 球形燃料元件的设计和制造较为简单；球形燃料元件的设计和制造较为简单； 其其缺点缺点是：是： 为实现燃料多次循环而设置的装卸料系统比较复杂，为实现燃料多次循环而设置的装卸料系统比较复杂， 其可靠性不如常规的停堆换料装置；其可靠性不如常规的停堆换料装置； 反射层更换较难，需采用寿命长、耐辐照的高品质石反射层更换较难，需采用寿命长、耐辐照的高品质石 墨。墨。主氦风主氦风机机蒸汽发生蒸汽发生器器热气导热气导管管控制棒控制棒传动机构传动机构27000个燃个燃料元件堆料元件堆积的堆芯积的堆芯反应堆反应堆压力壳压力壳 由于高温气冷堆的多层屏障保证，因而不需要设置

23、安全由于高温气冷堆的多层屏障保证，因而不需要设置安全壳，而是设计一回路舱室起到阻力放射性物质向周围释壳，而是设计一回路舱室起到阻力放射性物质向周围释放的作用。无气密性和承全压的要求。放的作用。无气密性和承全压的要求。 1 1、正常工况，由排风系统保、正常工况，由排风系统保持一回路舱室的负压，并且排持一回路舱室的负压，并且排风需过滤由烟仓排出。风需过滤由烟仓排出。 2 2、当发生一回路压力边界破、当发生一回路压力边界破坏的冷却剂失压事故，一回路坏的冷却剂失压事故，一回路舱室内压力超过大气压舱室内压力超过大气压0.1bar0.1bar时，自动打开事故排气管道的时，自动打开事故排气管道的爆破膜，一回

24、路舱室内气体直爆破膜，一回路舱室内气体直接排入大气。接排入大气。五、热工水力特性五、热工水力特性 氦气：与其他气体相比，氦气的传热能力优越。但是氦氦气：与其他气体相比，氦气的传热能力优越。但是氦气的密度低，载热能力有限，因而需要通过提高一回路气的密度低，载热能力有限，因而需要通过提高一回路中的压力。但过高的压力使压力壳成本增加，因而一般中的压力。但过高的压力使压力壳成本增加，因而一般为为4-7MPa。 堆芯氦气流向：堆芯氦气流向：自上而下自上而下。主要由于氦气出口温度很高，主要由于氦气出口温度很高，如果选择自下而上的流向，如果选择自下而上的流向，堆芯的上部温度将很高，会堆芯的上部温度将很高，会

25、给设置在堆顶压力壳的控制给设置在堆顶压力壳的控制棒传动机构带来极大的影响。棒传动机构带来极大的影响。 提高堆芯氦气进口温度提高堆芯氦气进口温度： 蒸汽循环：可以提高蒸发器的传热效率。蒸汽循环：可以提高蒸发器的传热效率。 氦气透平直接循环：有利于提高循环效率。氦气透平直接循环：有利于提高循环效率。 受限于钢制压力壳允许工作温度的限制，氦气进口设计温受限于钢制压力壳允许工作温度的限制，氦气进口设计温 度一般不高于度一般不高于300300度。采用耐高温的合金钢，氦气进口温度度。采用耐高温的合金钢，氦气进口温度可以达到可以达到500500度。度。 流动阻力：与流量有关，通过设计氦气大的进流动阻力：与流

26、量有关，通过设计氦气大的进/ /出口温差出口温差达到降低流量的目的，从而减少压损。达到降低流量的目的，从而减少压损。热力循环方式热力循环方式1 1、蒸汽循环方式、蒸汽循环方式 由氦气冷却剂载出的核能经过直流蒸发器加热二次侧的水，产生由氦气冷却剂载出的核能经过直流蒸发器加热二次侧的水，产生530的高温蒸汽，推动蒸汽轮机发电，发电效率可达的高温蒸汽，推动蒸汽轮机发电，发电效率可达40左右。左右。问题问题: :蒸发器中水侧的压力蒸发器中水侧的压力18MPa，远远高于一回路中，远远高于一回路中氦气侧的压力，一旦蒸发器传热管破管，大量水氦气侧的压力，一旦蒸发器传热管破管，大量水/蒸气蒸气进入一回路，进入

27、堆芯。进入一回路，进入堆芯。2 2、氦气循环方式、氦气循环方式 由氦气冷却剂直接推动气轮机发电，这种方式的优点是由氦气冷却剂直接推动气轮机发电，这种方式的优点是十分明显的，其效率可达十分明显的，其效率可达50%50%。压气机进口温度越低压气机进口温度越低, ,循环效率越高循环效率越高透平进口温度越高透平进口温度越高, ,循环效率越高循环效率越高3 3、直接联合循环方式、直接联合循环方式 高温氦气先驱动一个氦气压缩机透平高温氦气先驱动一个氦气压缩机透平, 带动同轴的压缩机带动同轴的压缩机, 再再驱动主发电氦气透平。出口的氦气再通过直流蒸气发生器驱动主发电氦气透平。出口的氦气再通过直流蒸气发生器,

28、 产生的蒸汽推动蒸汽透平发电机。发电效率可达产生的蒸汽推动蒸汽透平发电机。发电效率可达48%。优点优点: :不需要采用高效回热器不需要采用高效回热器, , 避开了一个技术难点避开了一个技术难点缺点缺点: :增加了系统的投资成本，不能排除堆芯进水事故增加了系统的投资成本，不能排除堆芯进水事故4 4、间接联合循环方式、间接联合循环方式 高温氦气经过中间热交换器，高温氦气经过中间热交换器， 加热二次侧的氮气，利用二加热二次侧的氮气，利用二次侧的氮气实现气体透平和蒸汽透平的联合循环。发电效率次侧的氮气实现气体透平和蒸汽透平的联合循环。发电效率可达可达43.7%。优点优点: :采用氮气作工质采用氮气作工

29、质, , 可以采用成熟的气体透平技术可以采用成熟的气体透平技术缺点缺点: :增加了系统的投资成本，高温的中间热交换器有增加了系统的投资成本，高温的中间热交换器有一定难度。一定难度。 GgzrkzrzrzrDGgggfggGgggggtgg2 , 1),()(1),(),(),(11,GgzrQkzrzrzrDgggggggRggg2 , 1),(1),(),(),(11kjigkjigfGggkjigkjiggggkjigkjigkkjigkkkjigkkjigkkkjigjkjigjjikjigjkjigjjikjigikjigiiiikjigikjigiiiiRkjigkjigkjigkk

30、jigkkkjigkjigkkjigkkkjigkjigjkjigjjikjigkjigjkjigjjikjigkjigikjigiiiikjigkjigikjigiiiikDzDzzDzDzzDDrDDrDrDrrrrDrDrrrrDzDzzDzDzzDDrDDrDrDrrrrDrDrrrr, , 1, ,11,1,1,1,1,1,1,2,1,1,2,1,1,21,1,1,21,1,1,1,1,1,1,1,1,1,2,1,1,1,2,1,1,1,21,1,1,1,21)(1)2211221122112211221221(2211221122112211221221 KJIKJIkjiKJIgKJIgkjigggKJIKJIKJIKJIKJIKJIKJIKJIKJIkjikjikjikjikjikjikjissssshacebhacefdbhacefdbhafdbh,1,1 , 1 , 21 , 1 , 1,1,1 , 1 , 2,1 , 1 , 1 ,1,1,1,1,1,1 , 1 , 21 , 1 , 21 , 1 , 21 , 1 , 21 , 1 , 21 , 1 , 11 , 1 , 11 , 1 , 11 , 1 , 1.0.0.0.0. ttntnVtzrtzrCtntzrtzrtzrtzrDttzrVggIdiiiggGggfgggggggRggggg)(