第四代核能系統(tǒng)——高溫氣冷堆技術(shù)教材

1、1高溫氣冷堆技術(shù)的發(fā)展歷史早期氣冷堆Magnox+AGRCO2 冷卻劑36+14 臺(tái)機(jī)組高溫氣冷堆HTGR陶瓷包覆燃料元件氦氣冷卻劑700-950個(gè) C3 臺(tái)試驗(yàn)堆2 臺(tái)原型堆模塊式高溫氣冷堆MHTGR陶瓷包覆燃料元件氦氣冷卻劑700-950個(gè) C2 臺(tái)試驗(yàn)堆1950 年代1970 年代1980 年代300 MWe1000 MWe100 300 MWe電功率固有安全234SIEMENS HTR-Module 功率：200MW 電功率：80MW堆芯平均功率密度：3 MW/M3主回路氦氣壓力： 6.0MPa堆芯出口熱氦氣溫度：700 堆芯入口冷氦氣溫度：250 56厘米直徑的“煤球形”核燃料6 R

2、eactor System1，高溫氣冷堆停堆后的余熱通過(guò)反應(yīng)堆壓力殼表面散出。不需要專設(shè)設(shè)施以防止堆芯熔化。排除堆芯熔化。n 燃料元件耐1600高溫n 堆內(nèi)石墨提供大熱容n 瘦長(zhǎng)型堆芯有利于散熱n 限制反應(yīng)堆功率高溫堆：對(duì)付1000kW余熱（約1/200）2，簡(jiǎn)化系統(tǒng)模塊式高溫氣冷堆的固有安全特性72個(gè)實(shí)驗(yàn)堆：中國(guó)的中國(guó)的HTR-10HTR-10；日本的日本的HTTRHTTR。3個(gè)商業(yè)示范電站：南非的南非的PBMRPBMR，熱功率400MW，球床；中國(guó)的中國(guó)的HTR-PMHTR-PM，熱功率458MW，球床；美俄的美俄的GT-MHRGT-MHR，熱功率600MW，棱柱。8南非PBMR：熱功率4

3、00MW，電功率165MW，氦氣溫度：500/900，直接氦氣循環(huán)，主設(shè)備已經(jīng)訂貨9美國(guó)GA和俄羅斯OKBM的GT-MHR：600MW熱功率10n美國(guó)2004年啟動(dòng)NGNP(Next Generation Nuclear Plant,下一代核電站)項(xiàng)目，計(jì)劃在美國(guó)愛(ài)達(dá)荷建設(shè)熱功率400-600 MW超高溫氣冷堆，50MW用于制氫，其余發(fā)電。西屋公司、AREVA公司和GA公司正在積極準(zhǔn)備競(jìng)標(biāo)獲得建造合同。 n法國(guó)AREVA NP公司也在加快發(fā)展高溫氣冷堆，2004年已經(jīng)投入超過(guò)100人年，2600萬(wàn)美元的預(yù)算，2005年進(jìn)一步增加人力。他們的反應(yīng)堆技術(shù)方案同GT-MHR類似，正在研究中間熱交換器

4、，以采用間接氦氣輪機(jī)循環(huán)發(fā)電。法國(guó)原子能委員會(huì)正在開(kāi)展一系列有關(guān)高溫氣冷堆的研究。n日本在HTTR堆運(yùn)行之后，已把高溫氣冷堆列入長(zhǎng)期研發(fā)計(jì)劃。韓國(guó)政府計(jì)劃發(fā)展高溫氣冷堆技術(shù)，韓國(guó)原子能研究院和清華大學(xué)于2004年成立了中韓聯(lián)合核能制氫研究中心。 11中國(guó)“ 863 ”計(jì)劃高溫氣冷堆歷史回顧n 1986 1990 ：?jiǎn)雾?xiàng)關(guān)鍵技術(shù)研究n 1990 1992 ：報(bào)國(guó)務(wù)院立項(xiàng)n 1992 1994 ：工程前期工作n 1995 2000 ：設(shè)計(jì)建造安裝調(diào)試n 2000 年 12 月：建成并首次臨界n 2003 年 1 月：滿功率發(fā)電1210 MW 高溫氣冷堆外景13 反應(yīng)堆系統(tǒng)反應(yīng)堆熱功率,MW10一回

5、路壓力, MPa3氦氣入口溫度, 250/300氦氣出口溫度,700/900燃料球數(shù)目2700014反應(yīng)堆和蒸汽發(fā)生器艙室1510 MW 高溫氣冷堆實(shí)現(xiàn)滿功率運(yùn)行2003 年 1 月 29 日主控制室儀表顯示達(dá)到 10 MW 滿功率核裂變產(chǎn)生的熱量經(jīng)發(fā)電后通過(guò)冷凝器排出16堆芯橫截面17直徑 6 厘米的燃料球18包覆顆粒燃料元件主要性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平制作了 20000 個(gè)燃料元件，每一批的 34 項(xiàng)性能均達(dá)到 10 MW 高溫氣冷堆的設(shè)計(jì)要求燃料元件的破損率達(dá)到世界最好水平清華日本德國(guó)計(jì)劃指標(biāo)1.410-53.110-5310-5310-4燃料元件在俄羅斯的輻照燃耗已達(dá) 100000 M

6、Wd/t(U) ，受輻照的 4 個(gè)燃料元件中的 3 萬(wàn)多個(gè)包覆燃料顆粒沒(méi)有一個(gè)因?yàn)檩椪掌茡p19至2006年3月累計(jì)運(yùn)行469天20n按照核安全局批準(zhǔn)的程序，旁通反應(yīng)堆緊急停堆系統(tǒng)。n關(guān)閉風(fēng)機(jī)，關(guān)閉二回路隔離閥：?jiǎn)适Ю鋮s。n控制棒不下落，反應(yīng)堆堆芯溫度緩慢上升由于堆芯燃料的負(fù)溫度系數(shù)（當(dāng)溫度升高，反應(yīng)堆功率下降），反應(yīng)堆功率自動(dòng)下降。n最終堆芯剩余發(fā)熱和通過(guò)反應(yīng)堆壓力殼表面散發(fā)的熱量建立平衡，反應(yīng)堆溫度開(kāi)始下降。n反應(yīng)堆堆芯燃料最高溫度始終低于安全限制 (1600 ) ，放射性釋放沒(méi)有明顯增加。喪失冷卻+不緊急停堆實(shí)驗(yàn)21重要安全實(shí)驗(yàn)：功率和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化過(guò)程22喪失熱阱ATWS安全驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)

7、轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速 (RPM)(RPM)反應(yīng)堆功率反應(yīng)堆功率 (kW)(kW)23HTR-PM：戰(zhàn)略意義和必要性（1）不失時(shí)機(jī)在國(guó)際上搶占模塊式高溫氣冷堆領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)，掌握擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，建立自主品牌，提高我國(guó)先進(jìn)核能技術(shù)在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力（2）發(fā)展先進(jìn)核能技術(shù)，為國(guó)家能源的可持續(xù)發(fā)展做貢獻(xiàn)（3）以企業(yè)為創(chuàng)新主體，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，探索高科技成果產(chǎn)業(yè)化的新途徑和新機(jī)制24n清華大學(xué)核研院在國(guó)家“863“計(jì)劃的支持下，經(jīng)過(guò)20年的拼搏，發(fā)展了高溫氣冷堆技術(shù)。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化是科研人員的理想，是對(duì)國(guó)家負(fù)有的責(zé)任。n中國(guó)核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)作為國(guó)家兩大核工業(yè)集團(tuán)之一，希望通過(guò)核能技術(shù)的創(chuàng)新使企業(yè)獲得長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展

8、動(dòng)力。n中國(guó)華能集團(tuán)作為國(guó)內(nèi)最大的電力公司之一，以促進(jìn)國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新為己任，支持新技術(shù)的采用。n中國(guó)華能集團(tuán)公司和中國(guó)核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)、清華大學(xué)共同投資，組成示范電站的業(yè)主。n中國(guó)核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)和清華大學(xué)合資成立了中核能源科技公司，作為示范電站的EPC 承包商和核島設(shè)備的集成供貨商，成為高溫氣冷堆核電站技術(shù)創(chuàng)新的企業(yè)主體。戰(zhàn)略意義和必要性25發(fā)展目標(biāo)和成果發(fā)展目標(biāo)是：在我國(guó)已經(jīng)建成的10MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆的技術(shù)基礎(chǔ)上，瞄準(zhǔn)國(guó)際上新一代核能技術(shù)的發(fā)展方向，借鑒國(guó)外高溫氣冷堆的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)自主研究與開(kāi)發(fā)，力爭(zhēng)2013年前后建成電功率為20萬(wàn)千瓦級(jí)、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高溫氣冷堆核電站示范工程。26通過(guò)本項(xiàng)

9、目的實(shí)施，預(yù)期將獲得如下成果：(1) 建成并運(yùn)行1臺(tái)電功率為20萬(wàn)千瓦級(jí)的模塊式高溫氣冷堆示范電站；(2) 掌握和積累高溫氣冷堆核電站的設(shè)計(jì)、制造、建造和運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)；(3) 形成和擁有由中國(guó)品牌HTR-PM、相關(guān)專利與一批專有核心技術(shù)、以及相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)組成的完整的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)及其保護(hù)體系；(4) 形成主要關(guān)鍵設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)制造能力；(5) 形成年產(chǎn)28萬(wàn)個(gè)球形燃料元件的生產(chǎn)線及制造能力；(6) 建成商業(yè)化高溫氣冷堆研究發(fā)展實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和技術(shù)服務(wù)支撐平臺(tái)；(7) 為進(jìn)一步研究與開(kāi)發(fā)氦氣直接循環(huán)發(fā)電、超臨界發(fā)電和高溫堆制氫等前沿技術(shù)提供基礎(chǔ)。發(fā)展目標(biāo)和成果(續(xù))27堆本體示意圖28德國(guó)雙模塊機(jī)組高

10、溫氣冷堆Source：HTR Module Safety Analysis Report, Siemens2930南非PBMR和壓水堆的比較Source：HTR2004， 2004， Beijing31高溫氣冷堆核電機(jī)組和先進(jìn)壓水堆機(jī)組的比較高溫氣冷堆核電機(jī)組先進(jìn)壓水堆核電機(jī)組32壓水堆核電機(jī)組的基本比例關(guān)系工程其它投資核島設(shè)備投資占工程總投資23%反應(yīng)堆壓力邊界和堆內(nèi)構(gòu)件占核島設(shè)備13%核島設(shè)備33高溫氣冷堆輔助系統(tǒng)少輕水堆南非高溫堆系統(tǒng)數(shù)比較電廠系統(tǒng)數(shù)14268安全系統(tǒng)數(shù) 479現(xiàn)場(chǎng)材料比較鋼筋 (噸/MWe) 3816混凝土(立方碼/MWe)324100結(jié)構(gòu)鋼 (噸/MWe)132Sou

11、rce: Regis Matzie, HTR 2004四，一體化核供熱堆的發(fā)展35核供熱技術(shù)發(fā)展概況n前蘇聯(lián)(俄羅斯)n原高爾基2500MW核供熱站n沃日涅茲2500MW核供熱站n加拿大n2MW試驗(yàn)供熱堆1987. 7投入運(yùn)行n德國(guó)、法國(guó)、瑞士、瑞典等國(guó)36我國(guó)核供熱技術(shù)發(fā)展(1) 1982-1984：方案論證n經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外調(diào)研和專家論證確定殼式核供熱堆為主攻方向(2) 1985-1990：實(shí)驗(yàn)堆建設(shè)n國(guó)家“七五”攻關(guān)，完成核供熱堆關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)n成功建成5兆瓦供熱堆，1989年投入運(yùn)行(3) 1991-1995：商用堆攻關(guān)n國(guó)家“八五”攻關(guān)計(jì)劃，200兆瓦商用堆關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)n供熱堆綜合利用技術(shù)研

12、究與開(kāi)發(fā)n示范堆工程可行性研究，初步設(shè)計(jì)和工程前期準(zhǔn)備(4) 1996 - ：示范堆建設(shè)和產(chǎn)業(yè)化n國(guó)家“九五”攻關(guān)計(jì)劃，完成工程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)n建設(shè)商用示范堆和摩洛哥10兆瓦核能海水淡化示范廠37核供熱堆發(fā)展目標(biāo)和技術(shù)特點(diǎn) 核供熱堆是我國(guó)自主創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的先進(jìn)型反應(yīng)堆，具有如下主要技術(shù)特點(diǎn)：n一體化技術(shù)和自穩(wěn)壓原理n全功率自然循環(huán)冷卻n非能動(dòng)安全系統(tǒng)n新型水力控制棒驅(qū)動(dòng)n運(yùn)行參數(shù)低，安全裕度大，運(yùn)行可靠n系統(tǒng)簡(jiǎn)化，操作簡(jiǎn)便，無(wú)須操縱員干預(yù)，避免人因錯(cuò)誤38核供熱堆輸熱系統(tǒng)接熱網(wǎng)中間回路余熱排出供熱反應(yīng)堆39核供熱堆堆體結(jié)構(gòu)40415MW低溫核供熱試驗(yàn)堆425MW低溫核供熱試驗(yàn)堆 李嵐清副總理于2000年

13、2月2日參觀清華大學(xué)5MW低溫核供熱試驗(yàn)堆的二回路(下圖)和控制室(右圖)43核供熱堆推廣應(yīng)用前景區(qū)域供熱海水淡化熱電聯(lián)供大面積空調(diào)工業(yè)供氣及其它應(yīng)用4445Advanced Water Cooled Nuclear Energy Systems: IRIS & (MASLWR)46474849IRIS (INTERNATIONAL REACTOR INNOVATIVE AND SECURE) Modular LWR, with Emphasis on Proliferation Resistance,Enhanced Safety and Economics 51INTERNAL C

14、ONTROL ROD DRIVE MECHANISMSnPerfect fit with integral reactorsnEliminate rod ejection accident, operational problems (head penetrations seal cracking)nShorter, simpler vessel/containmentnTwo options: Electromagnetical or hydraulic drivenIRIS has chosen hydraulic drivenWork progressing at POLIMInChin

15、a is operating NHR-5 (Tsinghua University) and designing NHR-200nPossible cooperation?52壓水堆核電站池式堆100200300反應(yīng)堆熱功率(MW)溫度()一體化核供熱堆的戰(zhàn)略定位2005003000一體化供熱堆多用途一體化供熱堆（自然循環(huán)小型IRIS)發(fā)電熱電蒸汽淡化供熱淡化53核能海水淡化經(jīng)濟(jì)性比較（200MWth）產(chǎn)水量（萬(wàn)噸/日）投資估計(jì)（億）比投資（萬(wàn)元/噸水）歸一化平均淡化成本熱壓縮+低溫MED（120)10.7517.21.61.0高溫MED（120）1619.31.20.85反滲透+低溫MED混合法2520.80.80.554發(fā)展小型多用途核供熱堆：n市場(chǎng)有需求：500