1、 超高溫氣冷堆（VHTR）調研報告目錄0引言31發展歷史31.1 高溫氣冷堆實驗堆31.2 高溫氣冷堆原型堆31.3 高溫氣冷堆-模塊式42目前各個國家的發展狀況43VHTR反應堆結構54VHTR堆型的優缺點85VHTR發展趨勢95.1 前景展望95.2 VHTR需要填補的技術缺口106總結11參考文獻120引言未來十幾年，全世界都需要能源和優化能源基礎建設來滿足日益增長的電力和運輸用燃料的需要。第四代國際核能論壇（GIF）確定的6種核能系統概念具有滿足良好的經濟性、安全性、可持續性、防核擴散和防恐怖襲擊等目標的絕對優勢。在第四代核能系統概念中，超高溫氣冷反應堆VHTR（Very High T

2、emperature Reactor）作為高溫氣冷反應堆漸進式開發過程中下一階段的重點對象，第四代國際核能論壇(GIF)已將VHTR列入研發計劃。VHTR將反應堆出口溫度比HTGR提高100，達到1000或以上，對所用燃料和材料提出了更高要求，實現制氫的工藝設計也需要研發創新。目前，多個國家和組織投入力量，正給予重點研發。我國也將高溫氣玲堆電站列入中長期科學和技術發展重大專項規劃，希望近期取得重大技術突破。1發展歷史VHTR（Very High Temperature Reactor）是高溫氣冷反應堆漸進式開發過程中下一階段的重點對象，而高溫氣冷堆的發展主要經歷了以下階段1。1.1 高溫氣冷堆

3、實驗堆英國1960年建造20MW實驗堆“龍堆”（Dragon）。美國1967年建成40MW的桃花谷（Peach Bottom）實驗堆。德國1967年建成15MW的球床高溫氣冷堆（AVR），并發展了具有自己特色的球形燃料元件和球床高溫堆。這三座實驗堆的成功運行，證明了高溫氣冷堆在技術上是可行的。1.2 高溫氣冷堆原型堆美國1968年建造330MW圣·符倫堡（Fort Stvrain）電站，1976年并網發電。德國1971年建造300MW釷高溫球床堆THTR-300,1985年并網發電。高溫氣冷堆在設計、燃料和材料的發展、建造和運行方面都積累了成功的經驗，開始進入發電應用的商用化階段。1

4、.3 高溫氣冷堆-模塊式客觀要求：美國三里島事故發生后，人們設法實現反應堆的“絕對安全”。希望在任何事故情況下都不會發生大的核泄漏，不會危及公眾與周圍環境的安全，也就是人們常說的實現反應堆的固有安全性。概念提出：模塊式高溫氣冷堆就是在這樣的背景下發展起來的一種新堆型。1981年德國電站聯盟（KWU）首先提出球床模塊式高溫氣冷堆的概念。2目前各個國家的發展狀況高溫氣冷堆電站，經過長時期的研發，在結構、材料以及反應堆、氣透平發電機組的技術性能及核能工藝熱應用方面，都有了突破性進展。革新型高溫氣冷堆電站，實現了反應堆固有安全特性的設計創新，確保了三大安全功能的完整性：即反應性控制、堆芯熱量排出、放射

5、性物質包容。目前，VHTR的基礎技術已在以前的HTGR核電站(如Dragon、桃花谷、AVR、THTR和圣弗倫堡核電站等)建設和運行中已得到了充分的開發和驗證，并且是GT-MHR和PBMR等概念設計的更進一步發展2。革新型高溫氣冷堆(HTGR)電站，設計比較成熟的是美、法、日、俄聯合設計的燃氣輪機模塊式氦冷反應堆（GT-MHR），目前正在研制，準備用于俄羅斯的钚處置，亦作為較小型的動力堆。由南非電力公司借鑒德國技術設計研發的球床模塊式反應堆(PBMR)，已分別進入示范電站的建設階段。日本原子能研究所(Jaeri)已經建成30MWth級高溫工程試驗堆(HTTR)，研究的主要目標是，驗證連接工藝系

6、統供熱的反應堆堆芯出口溫度達到950的可行性。歐盟也在積極研發高溫氣冷堆電站，組織了歐洲工業界和科研機構的近20多家單位在EURATOM框架內開展了下一代高溫氣冷堆HTR/VHTR的研究項目，作為世界著名核供應商的阿海琺(AREVA)集團也正在以往參與GT-MHR設計中獲得的經驗的基礎上開發甚高溫反應堆VHTR。我國清華大學借鑒德國技術設計研發的球床模塊式高溫實驗堆HTR-10，其研究目的是驗證其在10MWth功率水平下實現熱電聯產的可行性，目前已進入示范堆的建設階段1。目前的高溫堆技術出口溫度可以達到950，發展成1000的超高溫氣冷堆技術的難度并不是很大。 3VHTR反應堆結構超高溫氣冷堆

7、(VHTR)是高溫氣冷堆(HTGR)的進一步發展，是HTGR漸進式開發過程中下一階段的重點對象。VHTR的設計依賴于高溫氣冷堆(HTGR)的設計，因此HTGR的堆芯設計對VHTR有很大的參考價值。VHTR以1000的堆芯出口溫度供熱，這種熱能可用于制氫或為石化和其它工業提供工藝熱。參考堆的熱功率為600MWt，堆芯通過與其相連的一個中間熱交換器釋放工藝熱，反應堆芯可以是像正在日本運行的HTTR那樣的棱柱形塊堆芯，或者是象正在我國運行的高溫氣冷堆HTR10那樣的球床堆芯。VHTR參考堆的主要參數見表13，反應堆參數參考值反應堆功率600MWth冷卻劑進/出口溫度640/1000堆芯進/出口壓力取

8、決于具體的工藝氦氣質量流量320kg/s堆平均功率密度610MWth/m3參考燃料組成碳化鋯包層的燃料顆粒，可以是塊狀、柱狀或球狀核電廠凈熱效率>50%表1 VHTR主要參數VHTR根據其燃料元件形狀和結構的不同可分為兩類：球床高溫氣冷堆和柱狀高溫氣冷堆。它們的共同點是均采用涂覆顆粒燃料。圖1 球狀燃料元件圖2 柱形燃料元件圖3 涂覆顆粒燃料圖4 柱狀VHTR反應堆設計VHTR設計主要設計特點體現在：l 冷卻劑氦為單相、不冷凝、惰性，不受反應性影響。氦冷卻劑決定了泄漏率必須低。l 石墨堆芯熱容量高，減緩熱響應和在超高溫條件下結構穩定，功率密度約是輕水的1/10。l 所使用的難熔涂覆燃料在

9、比正常運行溫度高得多的溫度條件和假想事故工況下能滯留裂變產物。l 環型、低功率密度堆芯放置在自然循環RCCS圍繞的反應堆容器內。l 有限的反應堆總功率需通過傳導和輻射就具備了最終熱阱的能力，同時不會損傷燃料5。圖5 VHTR反應堆系統4VHTR堆型的優缺點VHTR是石墨慢化氦冷反應堆，具有熱中子能譜和一次壽命周期。其總體特點包括冷卻劑出口溫度高（高于850）、功率密度大（大于6MW/m3）、燃料和材料壽命長（大于40年）、安全裕度大、燃耗更深（大于150-200GWd/t(U)）。主要優勢表現為： l 安全性好：VHTR保持了高溫氣冷堆具有的良好安全特性，由于堆的負反應溫度系數和很大的溫升裕度

10、，使反應堆在任何情況下即使不進行人為的干預也能安全停堆，同時停堆后的熱量（余熱）可以依靠自然對流、熱傳導和輻射等自然機理傳輸到堆外，保證堆芯燃料元件的最高溫度限制在其允許溫度以下，因而在任何情況下也不會發生堆芯熔毀、放射性外泄等危害公眾和環境安全的事故。l 綜合效益高：VHTR冷卻劑出口溫度在1200時的熱效率能達到60%。這不僅能提高發電成本，還能降低單位電功率產生的裂變廢物，降低廢熱和減少冷卻水消耗。圖6 VHTR熱效率與冷卻劑出口的溫度對比圖7 提高熱效率的優勢l 用途廣泛：VHTR可以向高溫、高耗能和不使用電能的工藝過程提供廣譜熱量，還可以與發電設備組合以滿足熱電聯產的需要。除了能發電

11、外，還可通過熱電聯供廣泛應用于石油化工、煤的氣化液化等需要大量高溫工藝熱的部門。另外，它還可以用于城市供暖和海水淡化，特別是還可以用來作為制氫的熱源，是未來氫時代最具有前景的能源提供者7。 其不足之處為：l 由于其超高溫的特性，對反應堆材料的性能要求很高；l 用氦氣做冷卻劑，對系統的密封性要求高；l 技術不夠成熟，缺乏經驗。5VHTR發展趨勢5.1 前景展望在高溫氣冷堆發展的基礎上，超高溫氣冷堆(VHTR)將成為第四代核能系統的首選堆型之一。10兆瓦高溫氣冷實驗堆是由我國自主研究開發、自主設計、自主制造、自主建設、自主運行的世界上第一座具有非能動安全特性的模塊式球床高溫氣冷堆，各項技術指標均達

12、到世界先進水平，為商業化開發奠定了堅實的基礎。20萬千瓦級高溫氣冷商用示范堆（HTR-PM ）投入商業運行后，隨著設計和制造技術的不斷完善，除了其獨特的固有安全特性外，在高（熱）效率、高負荷因子和低造價、低發電成本等方面將充分展現其明顯的技術優勢和經濟優勢。因此，高溫氣冷堆將成為我國未來核電發展的一個重要堆型。也必將為VHTR的研發提供技術支持和運行經驗。超高溫氣冷堆為后石油時代核能制氫展現了光明前景。在石油、天然氣日益緊缺的今天，用氫做燃料是被科學家們普遍看好的清潔能源。但由于制氫所需要的巨大能量而使其成本太高，而超高溫氣冷堆能以很低的成本提供巨大的能量，從而大幅降低制氫成本。核能制氫有可能

13、成為未來生產清潔生產能源極具競爭力的新興產業，而超高溫氣冷堆則以她獨特的技術優勢成為未來核能制氫工業無可替代的堆型。5.2 VHTR需要填補的技術缺口驗證VHTR堆芯的可行性需要攻克許多重要的技術難關，必須開發新型的反應堆材料，這些燃料和材料必須滿足一下要求：l 使堆芯出口溫度從850提高到1000，甚至更高溫度；l 使燃料在發生事故后能承受的最高溫度達到1800；l 使燃料的最大燃耗達到150200GWd/MTHM(HM-重金屬)；l 避免堆芯內功率峰值和溫度梯度，避免發生冷卻劑氣體湍流現象2。目前在反應堆溫度、功率水平以及運行壓力等方面還存在特定工藝技術研究開發上的缺口。利用氦氣使化學反應

14、器加熱不同于工業界目前采用的辦法，需要進行專門的開發和驗證。需要對耐氫氣、一氧化碳和甲烷等腐蝕性氣體的高溫合金和包覆材進行可用性和合格性鑒定。采用碘-硫(I-S)工藝制氫的可行性仍需要對三個基本化學反應進行小規模和大規模的驗證，而且需要開發耐腐蝕的材料。必須避免產品受到任何形式的污染。為了將核島和制氫工業生產設施隔離開，尤其為了隔離像氚這樣能夠在高溫下極易彌散穿透金屬屏蔽層的同位素，必須開發專門的熱交換器、氣體冷卻劑導管及閥門等設備。VHTR性能問題還包括，為了提高發電效率，必須開發高效率氦氣輪機(透平機)。反應堆和熱利用系統的模塊化制造將是VHTR在商業推廣進程中面臨的另一個巨大挑戰 4。6

15、總結綜上所述，超高溫氣冷堆(VHTR)是一種功率高、應用范圍廣、安全性高的重要設計方案，其運行溫度高，能夠有效地將熱能轉換為電能，可以從等量的燃料中提取比傳統核電站多50%的電能。同時由于出口溫度高，VHTR還可以應用于多種工藝應用，如制氫、工業熱或聯產利用的各種領域等。這是解決未來電力和運輸用燃料需求的一個有效途徑和方向。另一個方面，在第四代國際核能論壇確定的未來第四代反應堆中，VHTR可能具有實際運行可能的最先進反應堆概念之一。VHTR將成為今后核能研究的主要方向之一，尤其是對超高溫反應堆材料的研究，將會對未來反應堆材料的研究起重要作用。參考文獻1 吳宗鑫，張作義.先進核能系統和高溫氣冷堆M.北京：清華大學出版社，2004,190-206.2 劉志銘. 四代核能系統中高溫氣冷堆VHTR技術的初步跟蹤分析C. 中國電機工程學會核能發電分會2009年學術年會,2009；453-461.3 楊孟嘉，任俊生，周志偉.第四代核能系統研發介紹J.國際電力，2004-8；30-35。4 U.S. DOE Nuclear Energy Research Advisory Committee and the Generation IV International ForumA Tech