高溫氣冷堆技術(shù)的發(fā)展與應用

高溫氣冷堆技術(shù)的發(fā)展與應用

自1954年蘇聯(lián)第一個smw試驗核電站誕生以來，該核電站在一些國家的能源工業(yè)中發(fā)揮了重要作用。從世界核電下一階段發(fā)展來看,重點仍是提高安全性和降低造價,主要發(fā)展的是先進的水堆技術(shù)和其他先進的反應堆技術(shù),可以預測,高溫氣冷堆技術(shù)作為一種先進反應堆技術(shù)在未來的10～15年必將取得長足的發(fā)展。高溫氣冷堆mhdgr氣冷堆是國際上反應堆發(fā)展中最早的一種堆型,這種反應堆初期被用來生產(chǎn)軍用钚,20世紀50年代中期以后發(fā)展成為商用核電站的堆型之一。氣冷堆的發(fā)展大致可以分為四個階段:即早期氣冷堆(Magnox)、改進型氣冷堆(AGR)、高溫氣冷堆(HTGR)和模塊式高溫氣冷堆(MHTGR)。英國在1956年建成單堆電功率50MW、總電功率200MW的卡德霍爾(GalderHall)氣冷堆核電站,標志著這種堆型進入了商業(yè)化。早期氣冷堆采用石墨做慢化劑,CO2氣體為冷卻劑,天然鈾燃料和鎂合金包殼燃料元件。主要優(yōu)點是采用天然鈾作為燃料,運行比較安全可靠,钚的產(chǎn)量也較高;主要缺點是燃料裝量大,燃耗淺,大型鼓風機耗功多,堆的體積很大,所以建造費用和發(fā)電成本都比較高。另外,堆冷卻劑二氧化碳氣體的溫度只能達到400℃左右,限制了反應堆熱工性能的進一步提高,加之當時美國大力推銷壓水堆技術(shù),迫使氣冷堆的發(fā)展進入了第二階段。氣冷沉的改進agr球床高溫氣冷堆發(fā)展歷程及展望英國早在1966年就建成了第一座熱功率為20MW的試驗性高溫氣冷堆“龍堆”;美國于1967年建成了電功率為40MW的桃花谷高溫氣冷試驗堆,接著在1972年底建成了電功率為330MW圣·符倫堡(FortSt.Vain)高溫核電站,電站熱效率達39.3%;聯(lián)邦德國也于1967年建成了電功率為15MW的球床高溫氣冷堆試驗電站(AVR),并于1976年建成電功率為300MW的THTR-300球床高溫堆。至此高溫氣冷堆在設(shè)計、燃料元件和高溫材料的發(fā)展、建造與運行方面都積累了成功的經(jīng)驗,開始進入發(fā)電和工業(yè)應用的商業(yè)化階段。1979年美國三里島核電站事故發(fā)生后,核電站安全性問題被提到更重要、更迫切的地位,繼而提出了固有安全堆的概念,模塊式高溫氣冷堆就是在這樣的背景下提出的一種具有固有安全性的新堆型。1981年德國西門子(Siemens)/國際原子公司(Internatom)首先推出模塊式球床高溫氣冷堆的設(shè)計概念,以小型化和固有安全性為其特征,現(xiàn)已成為國際高溫氣冷堆技術(shù)發(fā)展的主要方向。國際核能界和工業(yè)界一致看好高溫氣冷堆的發(fā)展前景,認為它是新一代核電站最有發(fā)展前途的堆型之一。美國、德國、日本和南非等國都在做積極的研究,中國設(shè)計和建造的10MW高溫氣冷實驗堆是世界上第一座模塊式高溫堆的試驗堆。面貼碳化硅涂層高溫氣冷堆的核燃料采用幾百微米的20涂層顆粒,顆粒的內(nèi)核是低濃鈾和高濃鈾加釷的氧化物或碳化物的微粒,外面敷涂若干層石墨和碳化硅涂層,這樣可以將所有裂變產(chǎn)物完全阻擋在完整包覆層內(nèi),提高反應堆的安全性;許許多多顆粒燃料彌散在石墨基體中被壓制成球狀或塊狀,然后裝在球狀或棱柱狀的石墨構(gòu)件中組成高溫氣冷堆的燃料元件。反應堆內(nèi)中子慢化材料、反射層材料、燃料元件結(jié)構(gòu)材料和堆芯結(jié)構(gòu)材料均采用石墨,冷卻劑則是化學惰性氣體——氦氣。利用常規(guī)電廠根據(jù)二回路能量轉(zhuǎn)換裝置的匹配方式不同,可以分為三種回路系統(tǒng):蒸汽循環(huán)系統(tǒng)、氣體間接循環(huán)系統(tǒng)和氦氣直接循環(huán)系統(tǒng)。蒸汽循環(huán)系統(tǒng):一次氦氣冷卻劑由氦風機從堆芯底部送入,通過燃料組件軸向氣孔流過堆芯,沿路被加熱至750℃～900℃高溫,通過蒸汽發(fā)生器將二回路的給水加熱、汽化,并過熱為高溫高壓蒸汽驅(qū)動蒸汽輪機。在這種匹配中,二回路系統(tǒng)可以采用常規(guī)火電站中技術(shù)成熟的高溫高壓帶再熱的汽輪發(fā)電機組,由于反應堆和蒸汽發(fā)生器熱損失遠比常規(guī)鍋爐小,可以肯定將獲得比常規(guī)火電站高的熱效率,若能配合超高溫熱用戶進行熱電聯(lián)產(chǎn),效率還將提高。氣體間接循環(huán)系統(tǒng):一次氦氣通過堆芯受熱后送中間熱交換器(IHX)加熱二次工質(zhì)氣體,被加熱的二次工質(zhì)氣體至氣體透平作功。這與蒸汽循環(huán)相似,都是間接循環(huán),二次工質(zhì)氣體循環(huán)遵循布雷頓循環(huán),且采用閉環(huán)流程,從理論上可采用較高的初參數(shù)和較少的冷源損失,因此氣體間接循環(huán)效率高于蒸汽循環(huán),采用常規(guī)氣體透平裝置和布置方式也可使電站系統(tǒng)大為簡化。氣體直接循環(huán)系統(tǒng):即將堆芯出口的高溫一次氦氣直接送入氦氣透平發(fā)電機組做功發(fā)電。在高溫堆發(fā)展初期,人們就認識到了這是最理想的一種循環(huán)方式,能充分發(fā)揮高溫堆的高溫潛力,提高發(fā)電效率。進入20世紀90年代,隨著模塊式高溫氣冷堆技術(shù)的成熟和大型燃氣輪機技術(shù)的發(fā)展,高溫堆和氣體透平的結(jié)合成為了一種可能,與此同時,工業(yè)制造水平的提高也為緊湊式換熱器、磁力軸承等關(guān)鍵部件的研究開發(fā)提供了技術(shù)保障。在化工等工業(yè)設(shè)計中的應用模塊式高溫氣冷堆由于采用碳化物和石墨涂層的顆粒核燃料,又采用傳熱性能好、化學性能穩(wěn)定且中子吸收少的氦氣作為冷卻劑,因此具有如下特點:高溫高效率:反應堆冷卻劑氦氣的出口溫度可高達750℃～900℃,并可能提高到1000℃～1200℃,這是高溫堆顯著的高溫優(yōu)勢,在蒸汽循環(huán)系統(tǒng)中,效率可達40%,在氦氣直接循環(huán)系統(tǒng)中效率幾乎達50%,還可將產(chǎn)生的熱量用于化工或冶煉等工業(yè),達到綜合利用熱能的目的。燃料的高轉(zhuǎn)換比:高溫氣冷堆的堆芯中除核燃料和中子吸收本領(lǐng)較弱的石墨外很少有金屬結(jié)構(gòu)材料,反應堆的中子經(jīng)濟性好,新核燃料的轉(zhuǎn)換比高,燃耗深,因此每年需補充的核燃料量少,并可以用釷做燃料,可以利用大自然的釷資源,因此它被成為核電站的先進轉(zhuǎn)換堆。模塊化設(shè)計:高溫氣冷模塊堆單堆功率小,單堆模塊的設(shè)計和制造標準化和系列化,最大程度實現(xiàn)設(shè)備的工廠制造安裝。多個單堆模塊可以“組裝”成大功率的高溫堆電站,項目實施靈活,有利于電廠融資,縮短建設(shè)周期,降低項目風險,在經(jīng)濟上具有相當競爭性。固有安全性:模塊式高溫氣冷堆的設(shè)計能保證在任何事故情況下,堆的負反應性溫度系數(shù)和很大的溫升裕度能夠使反應堆安全停堆;停堆后的余熱可以依靠自然對流、熱傳導和輻射等自然機理傳輸?shù)蕉淹?保證堆芯燃料元件的最高溫度限制在其允許溫度以下;耐高溫的石墨堆芯結(jié)構(gòu)和全陶瓷型的燃料元件,避免了在嚴重事故情況下堆芯和燃料元件熔化的危險。對環(huán)境污染少:反應堆熱效率高,排除的廢熱少,冷卻劑氦氣性能穩(wěn)定,放射性劑量較低,是較清潔的堆型,可以建在人口稠密的城鎮(zhèn)地區(qū)。用低能耗、低熱能耗的低熱值堆放為了提高氣冷堆冷卻劑的出口溫度、加深燃耗,英國發(fā)展了改進型氣冷堆,反應堆仍采用石墨為慢化劑,CO2氣體作冷卻劑,但采用低濃鈾和不銹鋼包殼燃料元件,以提高功率密度,使其具有體積小,效率高的特點。這種新燃料元件允許堆芯出口CO2溫度達到670℃,通過蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生高參數(shù)過熱蒸汽,并可以配置標準汽輪發(fā)電機組,從而使核電站熱效率提高到近40%。高溫氣冷堆是改進型氣冷