我国高温气冷堆的发展

我国高温气冷堆的发展【摘要】：模块块化高温气冷冷堆具有的固固有安全特性性、建造周期期短和机组容容量小等优势势正好符合电电力系统非管管制化(Dereggulatiion)发展展趋势对于发发电厂的要求求，清华大学学核能设计研研究院正在建建造一座10MW高温气冷实实验堆。本文文着重分析了高温气气冷堆的安全全特性和提高高发电效率的的氦循环方式式1引言高温气冷堆堆新近的发展展已引起广泛泛的关注。除除了中国和日本正正在建造高温温气冷实验堆堆之外，南非非、美国、俄俄罗斯、法国国等国都在积积极开展高温温气冷堆的发发展工作，一一些发展中国国家对高温气气冷堆表示了了极大的兴趣趣。高温温气冷堆具有有安全性好、发发电效率高、小小容量模块化化建造等特点点，正好适应应了全球正在在兴起的电力力系统非管制制化发展趋势势对发电厂的的要求。高温气冷堆堆用氦气作冷冷却剂，石墨墨作慢化材料料，采用包覆覆颗粒燃料和和全陶瓷的堆堆芯结构材料料。图1表示了清华华大学核能技技术设计研究究院正在建造造的10MW高温气冷实实验堆的总体体结构。图110MWW高温气冷实实验堆的总体体结构2高温气冷堆堆特点2.1安全性性好高温气冷冷堆是国际核核能界公认的的一种具有良良好安全特性性的堆型。图图2表示了三里里岛核事故后后世界核反应应堆安全性改改进的趋势，其其堆芯融化概概率有了显著著的改进。目目前世界上的的核电厂堆芯芯融化概率均均能达到图2中实线所表表示“满足要求的的电厂”的水平，而而且一些核电电厂达到了“优异安全性性电厂”的水平。美美国电力研究究所(EPRII)制定的《电电力公司用户户要求》文件件提出的先进进轻水堆的堆堆芯融化概率率设计要求为为10－5/堆.年。模块式式高温气冷堆堆(MHTRR)为革新型的的堆型，其估估计的堆芯熔熔化概率低于于10－7/堆.年，远小于于先进轻水堆堆堆芯熔化概概率的要求。图2世界核电电厂安全性改改进的发展趋趋势高温气冷堆堆采用优异的的包覆颗粒燃燃料是获得其其良好安全性性的基础。铀铀燃料被分成成为许多小的的燃料颗粒，每每个颗粒外包包覆了一层低低密度热介碳碳，两层高密密度热介碳和和一层碳化硅硅。包覆颗粒粒直径小于1mm，包覆颗粒粒燃料均匀弥弥散在石墨慢慢化材料的基基体中，制造造成直径为6cm的球形燃料料元件(见图3)。包覆层将将包覆颗粒中中产生的裂变变产物充分地地阻留在包覆覆颗粒内，实实验表明，在在1600℃的高温下加加热几百小时时，包覆颗粒粒燃料仍保持持其完整性，裂裂变气体的释释放率仍低于于10－4。高温气冷冷堆具有如下下的基本安全全特性：图3高温气冷冷堆球形燃料料元件2.1.1反反应性瞬变的的固有安全特特性在整个温温度范围内，高高温气冷堆堆堆芯反应性温温度系数(燃料和慢化化剂温度系数数之和)均为负，具具有瞬发效应应的燃料温度度系数也为负负。因此，在在任何正反应应性引入事故故情况下，堆堆芯均能依靠靠其固有反应应性反馈补偿偿能力，实现现自动停堆。高高温气冷堆正正反应性引入入事故主要有有：①控制棒误抽抽出；②蒸汽发生器器发生破管，水水进入堆芯造造成慢化能力力增强引入正正反应性事故故；③一回路风机机超速转动，冷冷却剂热端平平均温度下降降引入的正反反应事故等。事故分析析的结果表明明，在发生上上述正反应性性引入事故条条件下，堆功功率上升导致致燃料元件的的温度升高，但但负反应性温温度系数能迅迅速抑制其功功率的上升，燃燃料最高温度度远低于燃料料元件最高温温度限值。2.1.2余热载出出非能动安全全特性模块式式高温气冷堆堆堆芯的热工工设计时考虑虑了在事故工工况下堆芯的的冷却不需要要专设的余热热冷却系统，堆堆芯的衰变热热可籍助于导导热、对流和和辐射等非能能动机制传到到反应堆压力力容器外的堆堆腔表面冷却却器，再通过过自然循环，由由空气冷却器器将堆芯余热热散发到大气气(最终热阱)中(见图4)。图4非能动堆堆芯余热排出出系统当发生一回路冷冷却剂流失的的失压事故时时，堆芯的余余热已不可能能由主传热系系统排出，只只能依靠上述述的非能动余余热载出系统统将堆芯衰变变热载出，这这样必然使堆堆芯中心区域域的燃料元件件温度升高。为为了使堆芯燃燃料元件的最最高温度限制制在1600℃的温度限值值内，模块式式高温气冷堆堆堆芯功率密密度和堆芯的的直径将受到到限制。模块式高温温气冷堆余热热非能动载出出功能的实现现基本上排除除了发生堆芯芯熔化事故的的可能性，具具有非能动的的安全特性。2.1.3阻止放射射性释放的多多重屏障纵深深防御和多重重屏障是所有有核电厂的基基本安全原则则。作为模块块式高温气冷冷堆第一道屏屏障的燃料元元件，在所有有运行和事故故工况下，堆堆芯燃料元件件的最高温度度限制在1600℃内。在此温温度以下，热热解碳层和致致密的碳化硅硅包覆仍保持持完整性，能能使气态和金金属裂变产物物几乎完全被被阻留在包覆覆燃料颗粒内内。而且裂变变材料被大量量分散到许多多小的燃料颗颗粒内，独立立形成屏障，具具有很高的可可靠性。一回路的压压力边界是防防止放射性物物质释放的第第二道屏障。一一回路的压力力边界由以下下几个压力容容器所组成：：反应堆压力力容器，蒸汽汽发生器压力力容器，以及及连接这两个个压力容器的的热气导管压压力容器。这这些压力容器器发生贯穿破破裂的可能性性可以排除。由于在任任何工况下不不会发生燃料料元件温度超超过1600℃而使裂变产产物大量释放放的事故，而而且在正常运运行工况下一一回路冷却剂剂的放射性水水平很低，故故在发生失压压事故时，即即使一回路冷冷却剂全部释释放到周围环环境中，对周周围环境造成成的影响也是很小小的。因此，在在模块式高温温气冷堆的设设计中不设置置安全壳，而而采用“包容体”的设计概念念。“包容体”不同于安全全壳，无气密密性和承全压压的要求，无无需喷淋降压压和可燃气体体控制等功能能，系统大为为简化。高温气冷堆堆的“包容体”功能是由具具有一定密封封性能的一回回路舱室来实实现的。在10kPa压差下的泄泄漏率小于10－2/天。在正常常运行工况下下，由排风系系统保持一回回路舱室的负负压，防止一一回路舱室内内放射性物质质向反应堆建建筑内扩散，排排风经过滤后后由烟囱排出出；当发生一一回路冷却剂剂失压严重事事故，一回路路舱室中的压压力超过10kPa时，自动打打开事故排风风管道的爆破破膜，放射性性物质不经过过滤直接由烟烟囱排向大气气。由于直接接释放放射性性的后果并不不严重，加之之一回路舱室室内压力经短短时间后立即即下降到正常常压力，系统统又恢复经过过滤排出，这这样可以防止止事故过程中中大量放射性性裂变物质直直接向环境的的释放，避免免了大量放射射性释放的风风险性。图5氦气透平平直接循环流流程图图6直接联合合循环发电流流程图2.2发电效效率可提高模模块式球床型型高温气冷堆堆采用了余热热非能动载出出的特性，虽虽大大地增强强了安全性，但但是其单堆的的功率受到了了很大的限制制。由于球床床型高温气冷冷堆可以提供供950℃的高温氦气气，充分利用用其高温氦气气的潜力获得得更高的发电电功率是提高高其经济竞争力的的主要发展方向。氦氦气透平直接接循环方式是是高温气冷堆堆高效发电的的主要发展方方向。南南非ESKOM公司设计的的高温气冷堆堆核电厂即采采用了氦气透透平直接循环环方式[1，2]，由一回路路出口的高温温氦气冷却剂剂直接驱动氦氦气透平发电电，反应堆压压力为7MPa，氦气出口口温度为900℃，高温氦气气首先驱动高高压氦气透平平，带动同轴轴的压缩机，再再驱动低压氦氦气透平，带带动另一台同同轴的压缩机机，最后驱动动主氦气透平平，输出电力力。经过整个个循环，氦气气的压力将降降到2.9MPPa，温度降为571℃。为了将氦氦气加压到反反应堆一回路路的入口压力力，需先经过过回热器和预预热器冷却到到27℃后，再经两两级压缩机后后升压到7MPa，而后回到到加热器的另另一侧加热到到558℃，回到堆芯芯的入口，其其流程见图5所示。该循循环方式发电电效率可达到到47％。该该循环系统的的主要优点为为：系统简单单，全部电力力系统都集成成在同轴相连连的三个压力力容器内，造造价低；避免免了堆芯进水水事故的可能能性；热力循循环效率高。3热循环方式式氦气透平直直接循环方式式是高温气冷冷堆高效发电电的发展方向向。但是，目目前这项技术术需要研究开发的项项目较多，主主要有：①研制高质量量、低释放率率的燃料元件件(以保证进入入透平发电系系统的放射性性水平很低)；②研制立式氦氦气透平技术术，包括：磁磁力悬浮轴承承、停机擎动动轴承以及在在高温氦气氛氛下相接触金金属表面的处处理等相关技技术；③研制高效(98％)的板翅式回回热器技术等等。从技技术可行性角角度，目前考考虑的替代氦氦气热力循环环方式还有以以下两种方式式：3.1直接联合合循环方式循循环流程如图图6所示，6.9MPPa的900℃高温氦气先先驱动一个氦氦气压缩机透透平，带动同同轴的压缩机机，再驱动主主发电氦气透透平，向外输输出电力。出出口的氦气再再通过一直流流蒸气发生器器，加热另一一侧的水，使使之产生蒸汽汽。产生的蒸蒸汽推动蒸汽汽透平发电机机，向外输出出功率。氦气气经直流蒸气气发生器后由由压缩机加压压到7.0MPPa，183℃，回到堆芯芯入口。该系系统的氦气透透平和蒸汽透透平联合循环环发电效率可可达48％。这这个循环系统统的主要优点点：不需要采采用高效回热热器，避开了了一个技术难难点。但是，由由于采用氦气气蒸汽联合循循环，增加了了系统的投资资成本，故不不能排除堆芯芯进水事故的的可能性。图7间接联合合循环流程3.2间接联联合循环图7给出的间接接联合循环流流程为：反应应堆出口的900℃高温氦气经经过中间热交交换器(加热二次侧侧的氮气)，冷却到300℃，再经过氦氦风机回送到到堆芯的入口口。二次侧的的氮气经中间间热交换器加加热到850℃，实现气体体透平和蒸汽汽透平的联合合循环。该循循环的发电效效率为43.7％。由由于采用氮气气作工质，可可以采用成熟熟的气体透平平技术，在现现有技术基础础条件下具有有更好的可行行性。但是投投资成本增加加，也不能排排除堆芯进水水事故的可能能性。从从上述循环流流程的比较可可以看出，氦氦气热力循环环方式都可以以得到很高的的发电效率，根根据技术的发发展水平，可可以选择合适适的循环流程程。模块块式高温气冷冷堆由于采用用非能动余热热载出方式，其其单堆的输出出功率受到限限制，最大热热功率只能达达到200～260MW。其输出电电功率只能达达到100MW规模容量，相相比压水堆核核电厂，其容容量规模较小小。但是，南南非ESKOM公司设计的100MW发电容量的的高温气冷堆堆的经济分析析结果表明，与与大容量的压压水堆核电厂厂相比较，其其发电成本有有很好的竞争争力，而且可可以与当地廉廉价的煤电成成本相比较。主主要的因素有有以下几点：：①高的发电效效率：其发电电效率比压水水堆核电厂高高出约25％。②建造周期短短：100MW容量高温气气冷堆采用模模块化建造方方式，建造周周期可缩短到到两年，与压压水堆核电厂厂5～6年的建造周周期相比，降降低了建造期期的利息，可可使建造比投投资减少20％左右；③系统简单：：高温气冷堆堆具有的非能能动安全特性性使系统大为为简单，不必必设置压水堆堆核电厂中的的堆芯应急冷冷却系统和安安全壳等工程程安全设施，节节省了建造投投资。清清华大学核能能技术设计研研究院长期以以来一直从事事高温气冷堆堆技术的研究究和发展工作作，基本掌握握了高温气冷冷堆设计和建建造的关键技技术。目前正正在建造一座座10MW的高温气冷冷实验堆，计计划在2000年底前建成成。并以此为为基础，推进进高温气冷堆堆在我国的发发展．参考文献：［1］FoxM.Tecchnicaa