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  • 高温气冷堆

    高温气冷堆,用氦气作冷却剂,出口温度高的核反应堆。高温气冷堆采用涂敷颗粒燃料,以石墨作慢化剂。堆芯出口温度为850~1000℃,甚至更高。根据堆芯形状,高温气冷堆分球床高温气冷堆和棱柱状高温气冷堆。

    编辑摘要

    目录

    概述/高温气冷堆 编辑

    高温气冷堆高温气冷堆
    高温气冷堆,(high temperature gas cooled reactor),高温气冷堆的蒸发器能达到560℃,发电效率大大提升,高温气冷堆核电站具有良好的固有安全性,它能保证反应堆在任何事故下不发生堆芯熔化和放射性大量释放。高温气冷堆具有热效率高(40%~41%),燃耗深(最大高达20MWd/t铀),转换比高(0.7~0.8)等优点,由于氦气化学稳定性好,传热性能好,而且诱生放射性小,停堆后能将余热安全带出,安全性能好。[1]

    研发历程/高温气冷堆 编辑

    70年代中期,中国高温气冷堆的研究发展工作始于70年代中期,主要研究单位是清华大学核研院。

    1986年,在国家863计划支持下,清华大学正式开始了10兆瓦高温气冷堆实验堆的研发。

    1988~1989年,间德国的两座球床高温气冷堆反应堆相继被关闭,其原因是担心安全性。

    2000年12月,建成临界。
    高温气冷堆高温气冷堆


    2003年1月,实现满功率并网发电, 中国对高温气冷堆技术的研发取得了突破性成果,基本掌握了核心技术和系统设计集成技术。这一科技成果在国内外引起广泛的影响,使中国在高温气冷堆技术上处于国际先进行列。

    2004年9月底,由国际原子能机构主持,清华大学核研院在10兆瓦高温气冷堆实验堆上进行了固有安全验证实验。实验结果显示,在严重事故下,包括丧失所有冷却能力的情况下,不采取任何人为和机器的干预,反应堆能保持安全状态,并将剩余热量排出。

    2006年1月,国务院将大型先进压水堆和高温气冷堆核电站示范工程列为国家重大专项。[2]

    2008年2月,高温气冷堆核电站重大专项实施方案获国务院批准,专项牵头实施单位为清华大学核研院、华能山东石岛湾核电有限公司中核能源科技有限公司

    2009年9月,美国能源部发表声明说:“下一代核电站(NGNP)项目将采用新型的高温气冷堆技术,一个设施支持多种工业应用,比如发电的同时进行石油精炼。NGNP项目将使核能利用延伸到更宽广的工业和交通领域,降低燃料消耗和污染,并在现有的商业化轻水堆技术基础上提高固有安全性。”而后来美国选择了阿海珐公司设计的棱柱高温气冷堆。

    2011年3月1日,筹备了7年之久的山东荣成石岛湾核电站终于通过了国务院的审批。

    2012年5月31日,中国国务院会议原则通过《关于全国民用核实施综合安全检查情况的报告》和《核安全与放射性污染防治“十二五”规划及2020年远景目标》,国务院会议已经原则同意《核电安全规划》、《2020年核电中长期发展规划》,并确立了“全面建设核电强国”的目标。

    2015年8月,华能山东石岛湾核电厂发布了高温气冷堆核电站示范工程环境影响报告书,该工程正处于运行许可证申请阶段,计划2017年建成发电。[3]

    安全性能/高温气冷堆 编辑

    高温气冷堆高温气冷堆
    1、高温气冷堆是国际核能界公认的一种具有良好安全特性的堆型,目前世界上的核电厂堆芯融化概率均能达到中实线所表示“满足要求的电厂”的水平,而且一些核电厂达到了“优异安全性电厂”的水平,先进轻水堆的堆芯融化概率设计要求为10-5/堆年。模块式高温气冷堆(MHTR)为革新型的堆型,其估计的堆芯熔化概率低于10-7/堆.年,远小于先进轻水堆堆芯熔化概率的要求。

    2、高温气冷堆采用优异的包覆颗粒燃料是获得其良好安全性的基础,铀燃料被分成为许多小的燃料颗粒,每个颗粒外包覆了一层低密度热介碳,两层高密度热介碳和一层碳化硅。包覆颗粒直径小于1mm,包覆颗粒燃料均匀弥散在石墨慢化材料的基体中,制造成直径为6cm的球形燃料元件。包覆层将包覆颗粒中产生的裂变产物充分地阻留在包覆颗粒内,实验表明,在1600℃的高温下加热几百小时,包覆颗粒燃料仍保持其完整性,裂变气体的释放率仍低于10-4。

    3、反应性瞬变的固有安全特性在整个温度范围内,高温气冷堆堆芯反应性温度系数(燃料和慢化剂温度系数之和)均为负,具有瞬发效应的燃料温度系数也为负。因此在任何正反应性引入事故情况下,堆芯均能依靠其固有反应性反馈补偿能力,实现自动停堆。

    4、余热载出非能动安全特性模块式高温气冷堆堆芯的热工设计时考虑了在事故工况下堆芯的冷却不需要专设的余热冷却系统,堆芯的衰变热可籍助于导热、对流和辐射等非能动机制传到反应堆压力容器外的堆腔表面冷却器,再通过自然循环,由空气冷却器将堆芯余热散发到大气(最终热阱)中。

    5、当发生一回路冷却剂流失的失压事故时,堆芯的余热已不可能由主传热系统排出,只能依靠上述的非能动余热载出系统将堆芯衰变热载出,这样必然使堆芯中心区域的燃料元件温度升高。为了使堆芯燃料元件的最高温度限制在1600℃的温度限值内,模块式高温气冷堆堆芯功率密度和堆芯的直径将受到限制。

    效率提高/高温气冷堆 编辑

    模块式球床型高温气冷堆采用了余热非能动载出的特性,虽大大地增强了安全性,但是其单堆的功率受到了很大的限制。由于球床型高温气冷堆可以提供950℃的高温氦气,充分利用其高温氦气的潜力获得更高的发电功率是提高其经济竞争力的主要发展方向。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向。

    高温气冷堆核电厂采用了氦气透平直接循环方式,由一回路出口的高温氦气冷却剂直接驱动氦气透平发电,反应堆压力为7MPa,氦气出口温度为900℃,高温氦气首先驱动高压氦气透平,带动同轴的压缩机,再驱动低压氦气透平,带动另一台同轴的压缩机,最后驱动主氦气透平,输出电力。

    经过整个循环,氦气的压力将降到2.9MPa,温度降为571℃。为了将氦气加压到反应堆一回路的入口压力,需先经过回热器和预热器冷却到27℃后,再经两级压缩机后升压到7MPa,而后回到加热器的另一侧加热到558℃,回到堆芯的入口,其流程见图5所示。该循环方式发电效率可达到47%。

    循环系统系统简单,全部电力系统都集成在同轴相连的三个压力容器内,造价低;避免了堆芯进水事故的可能性;热力循环效率高。

    循环系统/高温气冷堆 编辑

    氦气透平直接循环方式是高温气冷堆高效发电的发展方向。循环系统的主要优点是不需要采用高效回热器,避开了一个技术难点。但是,由于采用氦气蒸汽联合循环,增加了系统的投资成本,故不能排除堆芯进水事故的可能性。

    间接联合循环流程为,反应堆出口的900℃高温氦气经过中间热交换器(加热二次侧的氮气),冷却到300℃,再经过氦风机回送到堆芯的入口。二次侧的氮气经中间热交换器加热到850℃,实现气体透平和蒸汽透平的联合循环。该循环的发电效率为43.7%。

    由于采用氮气作工质,可以采用成熟的气体透平技术,在现有技术基础条件下具有更好的可行性。但是投资成本增加,也不能排除堆芯进水事故的可能性。氦气热力循环方式都可以得到很高的发电效率,根据技术的发展水平,可以选择合适的循环流程。

    主要优势/高温气冷堆 编辑

    高温气冷堆高温气冷堆
    1、模块式高温气冷堆由于采用非能动余热载出方式,其单堆的输出功率受到限制,最大热功率只能达到200~260MW。其输出电功率只能达到100MW规模容量,相比压水堆核电厂,其容量规模较小。

    2、大容量的压水堆核电厂相比较,其发电成本有很好的竞争力,而且可以与当地廉价的煤电成本相比较,高的发电效率:其发电效率比压水堆核电厂高出约25%。

    3、建造周期短,100MW容量高温气冷堆采用模块化建造方式,建造周期可缩短到两年,与压水堆核电厂5~6年的建造周期相比,降低了建造期的利息,可使建造比投资减少20%左右;

    4、系统简单,高温气冷堆具有的非能动安全特性使系统大为简单,不必设置压水堆核电厂中的堆芯应急冷却系统和安全壳等工程安全设施,节省了建造投资。

    取得成就/高温气冷堆 编辑

    高温气冷堆高温气冷堆

    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。[4]

    建成的首座高温气冷堆的压力壳直径4.7米,高12.6米,重150吨,是中国自己设计和制造的迄今体积最大的核安全级压力容器。蒸汽发生器直径2.9米,高11.7米,重30吨,堆内有约13000个零部件,总重量近200吨。这些设备的制造成功,使中国成为少数几个能够加工制造高温气冷堆关键设备的国家之一,为高温气冷堆的国产化做出了重要贡献。

    石岛湾核电站作为中国第一座应用第四代核电技术的核电项目,最有希望第一个被重新启动建设。与其他核电项目不同,石岛湾的高温气冷堆具有着特殊的意义。它具有四代技术特征,主要由清华大学自主研发,设备国产化率达70%以上。

    拥有自主知识产权的核电技术,是由“核电大国”转变成“核电强国”的必要条件。由此业界普遍认为,石岛湾核电站最终命运如何,将决定着未来整个国家核电产业的走向。

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    高能物理学又称粒子物理学或基本粒子物理学,它是物理学的一个分支,研究构成物质和辐射的组元粒子及其相互作用的物理学科。

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    参考资料
    [1]^引用日期:2013-01-23
    [2]^引用日期:2013-01-23
    [3]^引用日期:2015-09-09
    [4]^引用日期:2013-01-23

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