《先进核反应堆结构原理》教学课件
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1第七章第七章高温气冷堆高温气冷堆HTGRHTGR 2http:/pris.iaea.org/Public/WorldStatistics/OperationalReactorsByType.aspxReactorTypeReactorTypeDescriptiveNameNumberofReactorsTotalNetElectricalCapacityMWBWRBoilingLight-Water-CooledandModeratedReactor8477726FBRFastBreederReactor2580GCRGas-Cooled,Graphite-ModeratedReactor168545LWGRLight-Water-Cooled,Graphite-ModeratedReactor1510219PHWRPressurizedHeavy-Water-ModeratedandCooledReactor4723140PWRPressurizedLight-Water-ModeratedandCooledReactor272250289Total436370499各种堆型的数量和装机容量各种堆型的数量和装机容量 3 超高温气冷堆超高温气冷堆 气冷快堆气冷快堆 钠冷快堆钠冷快堆 超临界水堆超临界水堆 铅铅/鉍冷快堆鉍冷快堆 熔盐堆熔盐堆第四代先进核能系统第四代先进核能系统第四代先进核能系统第四代先进核能系统六个入选堆型:六个入选堆型:六个入选堆型:六个入选堆型:4 第四代先进核能系统第四代先进核能系统第四代先进核能系统第四代先进核能系统高温气冷堆高温气冷堆高温气冷堆高温气冷堆 模块式高温气冷堆:日本、中国领先模块式高温气冷堆:日本、中国领先模块式高温气冷堆:日本、中国领先模块式高温气冷堆:日本、中国领先 高温堆氦气透平未来高温堆高温堆氦气透平未来高温堆高温堆氦气透平未来高温堆高温堆氦气透平未来高温堆 南非、美国、法国、俄罗斯、韩国等南非、美国、法国、俄罗斯、韩国等南非、美国、法国、俄罗斯、韩国等南非、美国、法国、俄罗斯、韩国等 都开都开都开都开 始投入研究,准备建堆。始投入研究,准备建堆。始投入研究,准备建堆。始投入研究,准备建堆。5高温气冷堆发展历史高温气冷堆发展历史 气冷堆是反应堆发展史上最早的堆型气冷堆是反应堆发展史上最早的堆型 第一代气冷堆第一代气冷堆MagnoxMagnox型气冷堆:型气冷堆:石墨为慢化石墨为慢化剂,剂,CO2CO2气体为冷却剂,金属天然铀为燃料,气体为冷却剂,金属天然铀为燃料,镁诺克斯镁诺克斯(Magnox(Magnox)合金为燃料棒的包壳材)合金为燃料棒的包壳材料。料。19561956年年英国建成英国建成50MWe50MWe气冷堆电站,商用化。气冷堆电站,商用化。7070年年代代初初期期,在在英英、法法、意意、日日和和西西班班牙牙等等国国建造建造3636座座,总装机容量达到,总装机容量达到8.2 GW8.2 GW(电)。(电)。6第二代气冷堆改进型第二代气冷堆改进型AGRAGRq包壳:包壳:镁铍合金镁铍合金 不锈钢不锈钢,q燃料:燃料:天然天然 2%UO2,CO2温度温度400 670。q 1963年英国建造年英国建造32MWe原型堆,原型堆,q 1976-1988年,运行的年,运行的AGR共有共有14座,座,8.9GW。尽尽管管AGR在在性性能能上上比比Magnox堆堆有有了了很很大大改改进进,但但由由于于受受到到CO2与与不不锈锈钢钢元元件件包包壳壳材材料料化化学学相相容容性性的的限限制制(690 ),使使出出口口温温度度难难以以进进一一步步提提高高,再再加加上上功功率率密密度度低低、燃耗低的限制,使其仍燃耗低的限制,使其仍难以和压水堆在经济上竞争难以和压水堆在经济上竞争。7高温气冷堆高温气冷堆设计概念的提出设计概念的提出1944/USA Daniels SECRET REPORTon anHTR PEBBLE PILE 8高温气冷堆高温气冷堆关键技术的突破关键技术的突破1960/UKHUDDLEPATENT:TRISO COATEDPARTICLE氦气冷却剂氦气冷却剂全陶瓷型的热解炭涂敷颗全陶瓷型的热解炭涂敷颗粒作燃料(技术突破)粒作燃料(技术突破)Tristructural-isotropic 9TRISO TRISO 燃料元件燃料元件u不易破损不易破损u耐高温耐高温核心核心包覆颗粒包覆颗粒燃料元件燃料元件 10高温气冷堆高温气冷堆实验堆实验堆英英 国国 1960年年 建建 造造 20MWth试试 验验 堆堆“龙龙 堆堆”(Dragon)。)。美美 国国 1967年年 建建 成成 40MWe桃桃 花花 谷谷(Peach Bottom)实验堆。)实验堆。德德国国1967年年建建成成15MWe的的球球床床高高温温气气冷冷堆堆(AVR),并并发发展展了了具具有有自自己己特特色色的的球球形形燃燃料料元件和球床高温堆。元件和球床高温堆。这三座实验堆的成功运行,证明了高温气冷堆在这三座实验堆的成功运行,证明了高温气冷堆在技术上是可行的。技术上是可行的。11高温气冷堆高温气冷堆原型堆原型堆美美国国1968年年建建造造330MWe圣圣符符伦伦堡堡(Fort Stvrain)电电站,站,1976年并网。年并网。德德国国1971年年 建建造造300MWe 钍钍高高温温球球床床堆堆THTR-300,1985年并网运行。年并网运行。高高温温气气冷冷堆堆在在设设计计、燃燃料料和和材材料料的的发发展展、建建造造和和运运行行方方面面都都积积累累了了成成功功的的经经验验,开开始始进进入入发发电电和和工工业业应应用用的的商商用化阶段。用化阶段。12高温气冷堆高温气冷堆模块式模块式客观要求客观要求q 美美国国三三里里岛岛事事故故发发生生后后,人人们们设设法法实实现现核核反反应应堆堆的的“绝绝对安全对安全”。q 希希望望在在任任何何事事故故情情况况下下都都不不会会发发生生大大的的核核泄泄漏漏,不不会会危危及及公公众众与与周周围围环环境境的的安安全全,也也就就是是人人们们常常说说的的实实现现反反应应堆的堆的固有安全性固有安全性。概念提出概念提出 模模块块式式高高温温气气冷冷堆堆就就是是在在这这样样的的背背景景下下发发展展起起来来的的一一种种新新堆堆型型。1981年年德德国国电电站站联联盟盟(KWU)首首先先提提出出球球床床模块式高温气冷堆的概念。模块式高温气冷堆的概念。13高温气冷堆高温气冷堆模块式模块式小型化具有固有安全特性小型化具有固有安全特性技术上:技术上:安全停堆,燃料温度安全停堆,燃料温度16001600以下;以下;经济上:经济上:以模块式组合、标准化生产、建造时以模块式组合、标准化生产、建造时 间短、投资风险小。间短、投资风险小。可与其他堆型核电站相竞争。可与其他堆型核电站相竞争。近近2020年年来来,模模块块式式高高温温气气冷冷堆堆由由于于安安全全性性好好,能能够够适适应应广广大大能能源源市市场场(供供电电、供供热热)的的需需要要,已已成成为为国国际际高高温温气气冷冷堆堆技技术术发发展展的的主主要要方方向向,重重新新引引起起国国际际核核能能界界和和工工业界的重视。业界的重视。14两个模块式高温堆两个模块式高温堆柱状柱状&球形球形日本日本HTTR30中国中国HTR10 15高温堆高温堆基本特点基本特点氦气作冷却剂石墨作慢化材料球形燃料元件全陶瓷堆芯结构连续装卸燃料非能动余热排出无应急冷却系统模块化建造 16高温堆高温堆固有安全性固有安全性负负温温度度系系数数大大;在在任任何何情况下能情况下能自动停堆自动停堆。功率密度低(功率密度低(5-10 5-10 kW/L),kW/L),热容量大,热容量大,热稳热稳定性高。定性高。但堆芯相对大。但堆芯相对大。失冷时,余热可靠导热、失冷时,余热可靠导热、辐射及自然对流排出。辐射及自然对流排出。元件低于元件低于1600 1600 C C的限值。的限值。在任何运行和事故情况在任何运行和事故情况下不会发生严重事故。下不会发生严重事故。17高温堆高温堆用途用途模块式高温堆建造周期模块式高温堆建造周期2 23 3年,建造成本和电年,建造成本和电价:价:13001300美元美元/千瓦,千瓦,3.33.3美分美分/度度。出出口口950950,发发电电效效率率高高,蒸蒸汽汽循循环环40%40%左左右右,氦气循环氦气循环48%48%左右左右。高温堆安全、经济好,广泛用途:高温堆安全、经济好,广泛用途:q开采稠油和炼制石油,开采稠油和炼制石油,q生产各类化工产品,生产各类化工产品,q煤气化、液化,煤气化、液化,q制氢、甲醇等等。制氢、甲醇等等。18高温气冷堆结构特点高温气冷堆结构特点燃料颗粒特点:燃料颗粒特点:燃料核心涂敷层燃料核心涂敷层1 BISO 1 BISO 颗粒颗粒 燃料核心燃料核心 两种涂敷层两种涂敷层2 TRISO2 TRISO颗粒颗粒燃料核心燃料核心 三种涂敷层三种涂敷层 19燃料元件结构特点燃料元件结构特点将涂敷颗粒分散在石墨将涂敷颗粒分散在石墨基体中压制成燃料密基体中压制成燃料密实体,再将密实体装实体,再将密实体装入有石墨包壳组成的入有石墨包壳组成的各种几何形状的燃料各种几何形状的燃料元件。元件。1 1球形元件:球形元件:2 2 柱形元件柱形元件 20 21柱形元件柱形元件棱柱块上棱柱块上开有燃料开有燃料孔和冷却孔和冷却剂孔,控剂孔,控制棒孔,制棒孔,控制毒物控制毒物孔,装卸孔,装卸孔。孔。22HTGR堆芯结构特点堆芯结构特点按照石墨燃料元件的结构形式分为:按照石墨燃料元件的结构形式分为:1 1 球床堆球床堆2 2 棱柱堆棱柱堆 堆芯一般为圆柱形,四周为石墨反射层,反射层堆芯一般为圆柱形,四周为石墨反射层,反射层外为金属热屏,整个堆芯装在预应力混凝土压外为金属热屏,整个堆芯装在预应力混凝土压力壳内。力壳内。23HTGR慢化剂慢化剂 HTGR HTGR采用石墨作为慢化剂和主要的结构材料主要采用石墨作为慢化剂和主要的结构材料主要原因:原因:1 1 热中子吸收截面小热中子吸收截面小2 2 高温下有较好的机械性能和稳定性高温下有较好的机械性能和稳定性3 3 抗热震性能好抗热震性能好 24HTGR冷却剂系统冷却剂系统 两个循环回路:两个循环回路:二次侧微放射性,二次侧微放射性,冷却剂选择冷却剂选择 氦气的原因:氦气的原因:1 1 化学惰性化学惰性 2 2 核物理性能核物理性能 3 3 容易净化容易净化 4 4 传热性能和载热性能好传热性能和载热性能好 5 5 其它优点其它优点 缺点:缺点:密封系统密封系统 25HTGR特点特点1 1 高温高效高温高效2 2 高转换比高转换比3 3 安全性高安全性高 a b c da b c d4 4 对环境污染小对环境污染小 可以建设在人口密集区可以建设在人口密集区5 5 应用前景广阔应用前景广阔 26HTGR主要关键技术主要关键技术1 1 高燃耗的颗粒核燃料元件的制造和辐射考验高燃耗的颗粒核燃料元件的制造和辐射考验2 2高温高压氦气回路设备的工艺技术问题高温高压氦气回路设备的工艺技术问题3 3燃料磨损问题?燃料磨损问题?27863:10MW高温高温气冷堆气冷堆20万千瓦级示范电站:万千瓦级示范电站:标准反应堆模块标准反应堆模块+蒸汽轮机蒸汽轮机成本成本120013001300USD/kK,经济上和脱硫燃煤电厂相当经济上和脱硫燃煤电厂相当高温气冷堆电站:高温气冷堆电站:标准反应堆模块氦气直接标准反应堆模块氦气直接 循环循环发电装置发电装置成本成本1000USD/kw,经济上,经济上 比脱硫比脱硫燃煤电厂有优势燃煤电厂有优势2000200520102020十五十五“863”高温氦透高温氦透平发电:平发电:10兆瓦高温堆兆瓦高温堆+氦透平氦透平“十一十一”五五863高温堆制氢:高温堆制氢:1010兆瓦高温气冷堆制氢兆瓦高温气冷堆制氢 装置装置核能制氢:核能制氢:标准反应堆模块标准反应堆模块 制氢发电制氢发电不排放此此不排放此此CO2和化石能制氢相竞争和化石能制氢相竞争我国高温堆发展我国高温堆发展 28863863计划计划HTR-10HTR-10u10MWth,250/700C 氦气氦气u肩并肩布置,数字化肩并肩布置,数字化 I&Cu研发研发1986,设计,设计 1992,建造,建造 1995,临界,临界 2000uFP 运行运行2003 29堆芯石墨结构堆芯石墨结构装料装料数字化控制室数字化控制室全陶瓷堆芯结构全陶瓷堆芯结构 30HTR-10GT流程图流程图反应堆反应堆堆芯堆芯发电机发电机透平透平间冷器间冷器预冷器预冷器回热器回热器控制阀控制阀高压压气机高压压气机低压压气机低压压气机12a2b2346 31
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