高温气冷堆技术的发展与应用

高温气冷堆技术的发展与应用

自1954年苏联第一个smw试验核电站诞生以来，该核电站在一些国家的能源工业中发挥了重要作用。从世界核电下一阶段发展来看,重点仍是提高安全性和降低造价,主要发展的是先进的水堆技术和其他先进的反应堆技术,可以预测,高温气冷堆技术作为一种先进反应堆技术在未来的10～15年必将取得长足的发展。高温气冷堆mhdgr气冷堆是国际上反应堆发展中最早的一种堆型,这种反应堆初期被用来生产军用钚,20世纪50年代中期以后发展成为商用核电站的堆型之一。气冷堆的发展大致可以分为四个阶段:即早期气冷堆(Magnox)、改进型气冷堆(AGR)、高温气冷堆(HTGR)和模块式高温气冷堆(MHTGR)。英国在1956年建成单堆电功率50MW、总电功率200MW的卡德霍尔(GalderHall)气冷堆核电站,标志着这种堆型进入了商业化。早期气冷堆采用石墨做慢化剂,CO2气体为冷却剂,天然铀燃料和镁合金包壳燃料元件。主要优点是采用天然铀作为燃料,运行比较安全可靠,钚的产量也较高;主要缺点是燃料装量大,燃耗浅,大型鼓风机耗功多,堆的体积很大,所以建造费用和发电成本都比较高。另外,堆冷却剂二氧化碳气体的温度只能达到400℃左右,限制了反应堆热工性能的进一步提高,加之当时美国大力推销压水堆技术,迫使气冷堆的发展进入了第二阶段。气冷沉的改进agr球床高温气冷堆发展历程及展望英国早在1966年就建成了第一座热功率为20MW的试验性高温气冷堆“龙堆”;美国于1967年建成了电功率为40MW的桃花谷高温气冷试验堆,接着在1972年底建成了电功率为330MW圣·符伦堡(FortSt.Vain)高温核电站,电站热效率达39.3%;联邦德国也于1967年建成了电功率为15MW的球床高温气冷堆试验电站(AVR),并于1976年建成电功率为300MW的THTR-300球床高温堆。至此高温气冷堆在设计、燃料元件和高温材料的发展、建造与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业化阶段。1979年美国三里岛核电站事故发生后,核电站安全性问题被提到更重要、更迫切的地位,继而提出了固有安全堆的概念,模块式高温气冷堆就是在这样的背景下提出的一种具有固有安全性的新堆型。1981年德国西门子(Siemens)/国际原子公司(Internatom)首先推出模块式球床高温气冷堆的设计概念,以小型化和固有安全性为其特征,现已成为国际高温气冷堆技术发展的主要方向。国际核能界和工业界一致看好高温气冷堆的发展前景,认为它是新一代核电站最有发展前途的堆型之一。美国、德国、日本和南非等国都在做积极的研究,中国设计和建造的10MW高温气冷实验堆是世界上第一座模块式高温堆的试验堆。面贴碳化硅涂层高温气冷堆的核燃料采用几百微米的20涂层颗粒,颗粒的内核是低浓铀和高浓铀加钍的氧化物或碳化物的微粒,外面敷涂若干层石墨和碳化硅涂层,这样可以将所有裂变产物完全阻挡在完整包覆层内,提高反应堆的安全性;许许多多颗粒燃料弥散在石墨基体中被压制成球状或块状,然后装在球状或棱柱状的石墨构件中组成高温气冷堆的燃料元件。反应堆内中子慢化材料、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。利用常规电厂根据二回路能量转换装置的匹配方式不同,可以分为三种回路系统:蒸汽循环系统、气体间接循环系统和氦气直接循环系统。蒸汽循环系统:一次氦气冷却剂由氦风机从堆芯底部送入,通过燃料组件轴向气孔流过堆芯,沿路被加热至750℃～900℃高温,通过蒸汽发生器将二回路的给水加热、汽化,并过热为高温高压蒸汽驱动蒸汽轮机。在这种匹配中,二回路系统可以采用常规火电站中技术成熟的高温高压带再热的汽轮发电机组,由于反应堆和蒸汽发生器热损失远比常规锅炉小,可以肯定将获得比常规火电站高的热效率,若能配合超高温热用户进行热电联产,效率还将提高。气体间接循环系统:一次氦气通过堆芯受热后送中间热交换器(IHX)加热二次工质气体,被加热的二次工质气体至气体透平作功。这与蒸汽循环相似,都是间接循环,二次工质气体循环遵循布雷顿循环,且采用闭环流程,从理论上可采用较高的初参数和较少的冷源损失,因此气体间接循环效率高于蒸汽循环,采用常规气体透平装置和布置方式也可使电站系统大为简化。气体直接循环系统:即将堆芯出口的高温一次氦气直接送入氦气透平发电机组做功发电。在高温堆发展初期,人们就认识到了这是最理想的一种循环方式,能充分发挥高温堆的高温潜力,提高发电效率。进入20世纪90年代,随着模块式高温气冷堆技术的成熟和大型燃气轮机技术的发展,高温堆和气体透平的结合成为了一种可能,与此同时,工业制造水平的提高也为紧凑式换热器、磁力轴承等关键部件的研究开发提供了技术保障。在化工等工业设计中的应用模块式高温气冷堆由于采用碳化物和石墨涂层的颗粒核燃料,又采用传热性能好、化学性能稳定且中子吸收少的氦气作为冷却剂,因此具有如下特点:高温高效率:反应堆冷却剂氦气的出口温度可高达750℃～900℃,并可能提高到1000℃～1200℃,这是高温堆显著的高温优势,在蒸汽循环系统中,效率可达40%,在氦气直接循环系统中效率几乎达50%,还可将产生的热量用于化工或冶炼等工业,达到综合利用热能的目的。燃料的高转换比:高温气冷堆的堆芯中除核燃料和中子吸收本领较弱的石墨外很少有金属结构材料,反应堆的中子经济性好,新核燃料的转换比高,燃耗深,因此每年需补充的核燃料量少,并可以用钍做燃料,可以利用大自然的钍资源,因此它被成为核电站的先进转换堆。模块化设计:高温气冷模块堆单堆功率小,单堆模块的设计和制造标准化和系列化,最大程度实现设备的工厂制造安装。多个单堆模块可以“组装”成大功率的高温堆电站,项目实施灵活,有利于电厂融资,缩短建设周期,降低项目风险,在经济上具有相当竞争性。固有安全性:模块式高温气冷堆的设计能保证在任何事故情况下,堆的负反应性温度系数和很大的温升裕度能够使反应堆安全停堆;停堆后的余热可以依靠自然对流、热传导和辐射等自然机理传输到堆外,保证堆芯燃料元件的最高温度限制在其允许温度以下;耐高温的石墨堆芯结构和全陶瓷型的燃料元件,避免了在严重事故情况下堆芯和燃料元件熔化的危险。对环境污染少:反应堆热效率高,排除的废热少,冷却剂氦气性能稳定,放射性剂量较低,是较清洁的堆型,可以建在人口稠密的城镇地区。用低能耗、低热能耗的低热值堆放为了提高气冷堆冷却剂的出口温度、加深燃耗,英国发展了改进型气冷堆,反应堆仍采用石墨为慢化剂,CO2气体作冷却剂,但采用低浓铀和不锈钢包壳燃料元件,以提高功率密度,使其具有体积小,效率高的特点。这种新燃料元件允许堆芯出口CO2温度达到670℃,通过蒸汽发生器产生高参数过热蒸汽,并可以配置标准汽轮发电机组,从而使核电站热效率提高到近40%。高温气冷堆是改进型气冷