高温气冷堆技术研究及展望.pdf

综述89NO.10 2023节能 ENERGY CONSERVATION高温气冷堆技术研究及展望伍赛特（上海汽车集团股份有限公司，上海 200438）摘要：概述现有核反应堆的类型，并对气冷堆进行介绍，对高温气冷堆的组成及其历史发展进行重点阐述。目前，高温气冷堆多以氦气为冷却剂，具有独特的技术优势。随着煤炭、石油等传统化石燃料的消耗，世界各国已重新将针对核能的研究与开发提上日程。核能领域目前仍存在一些问题亟待优化，但随着相关技术的发展，核能依然会成为一类重要的能源。关键词：高温气冷堆；气冷堆；核反应堆；核能；核动力；核燃料中图分类号：TM623.2 文献标志码：A 文章编号：1004-7948（2023）10-0089-05 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.026Research and prospect of high temperature gas cooled reactor technologyWU Sai-teAbstract：The types of existing nuclear reactors are summarized,and gas cooled reactors are introduced.The composition and historical development of HTGR are emphasized.At present,high temperature gas cooled reactor mostly uses helium as coolant,which has its unique technical advantages.With the rapid consumption of coal,oil and other traditional fossil fuels,countries around the world have put the research and development of nuclear energy back on the agenda.Although there are still some problems in this field that need to be optimized,with the development of related technologies,nuclear energy will still become an important type of energy.Key words:high temperature gas cooled reactor;gas cooled reactor;nuclear reactor;nuclear energy;nuclear power;nuclear fuel引言自21世纪以来，全球对能源的需求与日俱增。为了实现可持续发展战略，世界各国都在大力发展高效、清洁的能源技术，并逐步减少对化石燃料的依赖。核能是能够大规模取代化石燃料的稳定能源。未来核能将会有更为广阔的发展前景1。文中对核反应堆进行分类，综述高温气冷堆的发展并对其进行展望。1核反应堆及其分类自20世纪80年代，对新一代安全、可靠新堆型的研究，已成为核能界关注的焦点。世界核电厂的安全性不断提高，堆芯损坏概率大幅下降。目前，几类常见核反应堆的比较2如表1所示。2气冷堆及其技术特点气冷堆利用石墨作为慢化剂，利用CO2等气体作为冷却剂，是最早得到发展的一类核反应堆。这种核反应堆的最大优势是可以使用成本低廉的天然铀作燃料。气冷堆的缺点是其核反应堆体积较大、造价较高，因此已被淘汰。随后，英国研制出改进型气冷堆，可以使用低表1几类常见核反应堆的比较项目燃料包壳材料燃料元件慢化剂冷却剂压力容器材料压水堆UO2锆合金棒束水水低合金钢沸水堆UO2锆合金棒束水水低合金钢重水堆UO2锆合金棒束重水重水不锈钢高温气冷堆UO2+ThO2石墨石墨球或柱石墨氦气合金钢钠冷快中子堆PuO2+UO2不锈钢棒束钠、钠钾合金不锈钢作者简介：伍赛特（1990），男，硕士，工程师，经济师，研究方向为内燃机与动力装置。收稿日期：2023-02-22引用本文：伍赛特.高温气冷堆技术研究及展望 J.节能，2023，42（10）：89-93.综述90节能 ENERGY CONSERVATIONNO.10 2023浓缩铀作为燃料，易于更换燃料元件，还可在较高的温度下运行。该类改进型气冷堆具有以下优势3：第一，由于石墨中子俘获截面较小，慢化性能好，能够利用天然铀作为燃料，这对没有分离铀同位素能力的国家较为重要；第二，与水冷堆相比，气体冷却剂能够在不高的压力条件下得到较高的出口温度，并可以提高电厂的工质参数，从而提高热效率；第三，可以在运行时连续更换核燃料，提高电厂利用率；第四，作为冷却剂，CO2易于获得，且成本较低。改进型气冷堆的缺点为：第一，由于镁合金包壳不能承受高温，限制了CO2的出口温度，从而限制了核反应堆热工性能的进一步提高；第二，基建投资较大，因此在经济上难以与压水堆竞争。针对当前技术状态，气冷堆发展的方向是高温气冷堆。目前，高温气冷堆已在国外得到应用。3高温气冷堆及其技术特点3.1高温气冷堆的结构组成高温气冷堆在改进型气冷堆的基础上发展3。其本体主要由燃料元件、堆芯、反射层、堆芯支撑系统、控制棒驱动机构及燃料操作设备组成，与压水堆总体相同。但高温气冷堆适当调整了堆芯中的燃料分布，以适应工质温升小、流量大的工况，从而确保燃料颗粒的工作温度。3.2高温气冷堆的技术特点高温气冷堆有两个特点：第一，采用氦气作为冷却剂；第二，利用陶瓷包壳燃料替代金属包壳核燃料，而慢化剂仍然是石墨。这种核反应堆采用低浓度铀或高浓度铀加钍作为燃料，先做成碳化铀小球，外面包裹石墨和碳化硅涂层，形成具有包覆层的颗粒形核燃料。将这些颗粒形核燃料装进六角形石墨块的轴向空腔，与组合燃料元件和慢化剂一起被装入核反应堆。氦气通过燃料和慢化剂间的轴向通道向下流入堆芯，并参与循环。高温气冷堆中的核燃料利用率较高，如果以4%5%的低浓缩度235U作为核燃料，核反应堆运行中剩余95%96%的238U将转变成可回收的核燃料钚。如果采用80%90%的高浓度235U作为核燃料，将其制成有碳化钍涂层的颗粒，核反应堆运行时，钍将转变为233U，这也是一种可回收的高效核燃料4。高温气冷堆能够更好地利用核燃料，采用钍代替铀，且不会产生钚。由于高温气冷堆采用单回路，可充分利用核反应堆的高温提高发电效率。此外，高温气冷堆还可采用余热回收装置，进一步提高能源的利用率。高温气冷堆具有如下优势5：第一，采用中间冷却和回热等技术可以显著提升热效率；第二，可以采用干式（气冷）冷却塔，以减轻对环境的热污染；第三，可以实现热电联产，核能所产生热能的利用率达到80%，不进行热电联产时不必使用水。3.3高温气冷堆与高效发电考虑到固有的安全性，高温气冷堆更易被接受，加上其单堆容量较小、初始投资低、系统简易、建造周期短、发电成本低于压水堆以及经济竞争力强等因素6，高温气冷堆有望在未来的研究中得到进一步发展。3.4高温气冷堆与高温供热预计到2050年，供热消耗的一次能源仍将占能源总消费量的40%左右7。热能的可直接输送距离较短，用户相对分散，各类用户对供热参数的要求也彼此相异，因而供热源通常较为分散。这些处于分散状态且规模有限的供热源，分布在人口稠密的市区与工矿区内，如果依然通过燃煤实现上述目的，不仅会造成区域性环境污染，且治理过程较为困难，会进一步加剧对居民的危害。如果通过发展核能替代煤炭进行供热，将充分解决直接燃煤引发的环境问题7。3.5高温气冷堆的发展历程气冷堆是国际上最早发展的一种堆型。从20世纪50年代中期起，该类堆型成为发电用的商业化堆型，对核能早期进入商业化市场起到了推动作用，但其发展历程并非一帆风顺。气冷堆虽然具备一定的优势，但在其发展初期，上述优势并未得以充分显现。早期曾使用CO2作为冷却剂并使用合金作为元件包壳，限制了其出口温度；采用天然铀作为燃料又使得堆芯的体积过大，增加了基建周期和投资，上述原因使其在与压水堆发展的竞争中处于不利地位7。20世纪60年代中期，是高温气冷堆高速发展的时期，其技术日趋成熟，优势逐渐显现。在美国和德国，高温气冷堆已开始进入发电和工业应用的商业化阶段，并设计了1 000 MW级的大型高温气冷堆，曾计划推向市场。19711974年，仅美国就有10座高温气冷堆的开发计划，但由于1973年石油危机引发的经济问题及当时压水堆具有的优势，上述大型高温气冷堆的开发计划被终止。压水堆体积小、功率高，是当时美国发展核潜艇的动力堆型。因此，压水堆首先在美国被用于军事目的，后来也用于发电，经过20多年的发展，压水堆技术逐渐得到完善。20世纪60年代至20世纪70年代，西方国家在发展核电时，多从美国引进技术，而引进的技术也是压水堆。压水堆逐渐成为世界核电的主要堆型。这一时期，若干专门研究设计压水堆及制造压水堆设备的大型公司相继在一些国家建立并几乎占据全部核电市场。20世纪80年代初期，虽然提出了更为先进的模块式高温气冷堆技术8-9，但当时世界经济的发展仍处于相对平稳的时期，电力需求无显著增长，再加上部分国家反对核势力，高温气冷堆在当时失去了实现大发展的机综述91NO.10 2023节能 ENERGY CONSERVATION遇7。虽然高温气冷堆的发展在当时受到了一定限制，但考虑到高温气冷堆的技术特点，在后续的数年间，该类堆型又重新受到了业界的关注，并已重新投入高速发展的进程中。4闭式循环燃气轮机及其技术特点用于核动力领域的燃气轮机分为开式循环机组与闭式循环机组。其中，开式循环机组以空气为工质，以核反应堆代替燃烧室。而在闭式循环机组中，具有一定压力的气态工质流过压气机、气体预热器、涡轮及换热器等部件，然后经预冷系统返回压气机入口，整体处于密闭状态，与外界无物质交换10。闭式循环机组又分为单回路结构和双回路结构。采用单回路结构的闭式循环燃气轮机的工质即为核反应堆的冷却剂。为了减少放射性物质产生的污染，需要在核燃料外部采用金属外套，并要求冷却剂所含有的杂质尽可能低，同时在一定限度上允许叶片附着部分活性较低的放射性物质10。采用双回路结构的闭式循环燃气轮机时，冷却剂和工质可以分开，能够避免核反应堆或热交换器发生事故。在快中子核反应堆中，由于该类核反应堆体积较小且热强度较大，需要以水作为冷却剂，从而有效地带走热量。因此，用于该类核反应堆的冷却剂宜采用钠或钠钾合金等液体金属。与汽轮机及开式循环燃气轮机相比，闭式循环燃气轮机更适合作为高温气冷堆的动力机组。为了提升高温气冷堆中冷却剂的温度，理论上可以采用液体金属作为冷却剂。如果直接将气体作为冷却剂，则核反应堆的温度上限通常不会受到气体自身性质的限制，只会受到核反应堆自身特性的影响。虽然具有较好的经济性，但在工质循环及高温材料等方面还存在亟待优化的问题。闭式循环燃气轮机中，CO2、氮气与氦气等气体均可用作冷却剂，其中氦气最为合适。氦气是一类惰性气体，当其通过核反应堆中心并直接与铀接触时，其所携带的放射物质相对较少。因此，在以氦气为冷却剂的高温气冷堆中，除核反应堆本身外，对其他防护设备的要求相应较低，结构可进一步简化。氦气不会引起设备腐蚀，且传热系数较高，比热显著大于空气，内部音速明显高于空气。因此，将氦气作为闭式循环燃气轮机的工质，可以有效提高压气机和涡轮叶片的圆周速度，从而减少压气机和涡轮的级数。但氦气成本较高，需要对循环系统进行严格密封。5氦气轮机及其结构组成5.1氦气轮机本体结构氦气轮机通常采用轴流的结构形式，并将压气机、涡轮和发电机装在同一根轴上，有着更为紧凑的结构。与常规的开式循环燃气轮机相比，氦气轮机的级数较多。与汽轮机相比，氦气轮机内部工质的膨胀比仅为2.02.4。汽轮机的这一数值约为2 400，差距较大。因此，氦气轮机的级数虽高于常规开式循环燃气轮机，但内部工质的膨胀比低于汽轮机11。此外，氦气轮机膨胀前后的叶轮径向尺寸差别较小，无须采用较长的末级叶片。氦气轮机更适合制成圆筒形的承压结构。在功率相同的情况下，汽轮机的轴向长度比氦气轮机长 50%左右11。在部分应用场合中，氦气轮机的压气机、涡轮和发电机可以不装在同一根轴上，而是采用两台涡轮，其中一台涡轮用于驱动压气机，另一台涡轮用于驱动发电机，即双轴方案。上述方案的优势是机组的转速可以根据压气机和发电机的要求进行调整，具备较好的变工况性能。但其弊端在于双轴方案会增加设备数量，使系统的布置更为复杂12。在开式循环燃气轮机中，超出某个温度变化范围时，工质会处于等压状态，而且在排放废热的过程中，工质不会发生相变。在采用汽轮机的压水堆中，由于压缩的工质是液态，功耗不大；而在采用氦气轮机的高温气冷堆中，平均的排热温度较高，压缩氦气耗功较大，使系统效率有所降低。5.2氦气轮机的回热系统和预冷系统回热系统和预冷系统的总换热面积较大，但其工作温度和压力较低。由于流动阻力引起的损失对循环效率有着较大影响，因此可将回热系统和预冷系统都制成能够实现轴向逆流的管式结构，并采用更为光滑的管路以减少该部分阻力。由于回热系统两侧的工质皆为氦气，管间压差较小，工作温度也低于蒸汽发生器，故不易损坏，即使出现破裂现象，也不致产生严重的后果。同时，预冷系统工作温度较低，内部的流动压力同样较低。采用轴向且可逆流的管路结构，可使管路的温度梯度主要沿轴向分布，产生的热应力相对较小，同时引发的管路振动也更小。6采用氦气轮机的高温气冷堆装置6.1用于高温气冷堆的氦气轮机的循环分类及特点将高温气冷堆与氦气轮机联合使用，主要优势如下12：第一，由于氦气中的声速高于空气，可以将氦气轮机中的工质流速设计得更高，以减小通流面积，使氦气轮机的外形尺寸相应减小，紧凑性更好，减少了占地面积；第二，氦气的传热性能优于空气，热交换器的表面积可相应减少；第三，在循环系统中，只要维持氦气轮机的压比和最佳流速近似不变，通过改变工质的流量和压力，就可在整个负荷工况区域内使循环获得较高效率。目前，用于高温气冷堆的氦气轮机主要有以下三类循环，分别为直接循环、间接循环及氦气-蒸汽联合循环。综述92节能 ENERGY CONSERVATIONNO.10 2023采用直接循环的氦气轮机循环效率高、体积紧凑、运行方式简单、负荷容易调节，但从目前情况分析，存在三方面问题有待进一步研究与发展。一是包覆层的阻挡作用，如果放射性物质在氦气轮机叶片上沉积，将为其维护和检修过程带来较大困难，需要进一步改进燃料元件的结构特性，或采用特殊的维修技术；二是要进一步研究由于压气机、涡轮和发电机故障造成的氦气轮机超速现象，该超速现象会使堆芯结构产生冲击负荷，并对堆芯结构的完整性产生影响；三是采用直接循环后，机组效率对堆芯入口温度较为敏感，必须将入口温度提高到800 以上，需要对堆芯和堆芯底部结构进行充分研究12。氦气轮机如果采用间接循环，可以避免放射性物质在气体叶片上的沉积问题以及压气机、涡轮和发电机故障对堆芯结构产生的冲击，但会导致机组运行过程更为复杂，负荷调节更为困难。其中，最主要的缺点是采用中间热交换器使机组效率有所降低。第三种循环即为氦气-蒸汽联合循环。该类循环最主要的优势是可以利用当前已研制成功的高温气冷堆设计方案，充分利用该领域的成熟经验。其所面临的主要问题是操作及运行过程较为复杂。6.2用于高温气冷堆及氦气轮机的循环风机系统循环风机通常被安装在回路内，用于循环冷却核反应堆堆芯中的氦气。由于高温气冷堆具有特殊性，因此对循环风机有一定的特殊要求，不同于一般风机13。叶轮窄且直径大。为了满足空气动力方面的要求，经过广泛的研究和选择，对风机进行设计，并在试验台架上进行试验，根据试验结果不断进行修改和再试验，由此采用较窄且直径较大的叶轮，可充分满足系统要求。叶轮与电机同轴布置，压力壳内置入式电动机。循环风机是高温气冷堆的重要部件，由于氦气价格昂贵又极易泄漏，将风机安装在压力壳内，叶轮装在驱动电机轴端，与电机实现同轴布置。由于氦气绝缘性较差，需对电机进行相应的处理与试验。风机须经耐高温处理。风机叶轮部分的工作温度通常为250300，压力壳外温度为100。为了使电机的工作温度不致过高，在风机压力壳内安装电机冷却器和壳体冷却器，并采用耐高温的陶瓷轴承。采用一系列测量仪表。风机被整体安装在压力壳内，为了监测风机及电机的工作状况，安装了一系列测量仪表，用于测量温度、振动及转速，这些仪表的输出信号被送至有关监测与控制中心14，进行实时反馈。采用专门研制的电气贯穿件。为了确保用于驱动电机的电源线及气体仪器的控制电线能够以绝缘状态穿过压力壳，且氦气不泄漏15，需要制造专门的电气贯穿件。6.3高温气冷堆及氦气轮机的附属系统目前，采用氦气轮机的高温气冷堆已显示出较为广阔的前景。高温气冷堆多采用氦气冷却核燃料堆芯，并将其作为传热介质。与产生低温饱和蒸汽的轻水堆相反，高温气冷堆的热解碳燃料允许将高温氦气的热量传到高温氦气轮机中，其热效率与现代的火力发电厂相近。氦气管路发生损坏事故时，为了防止高压冷却剂突然产生压力降低和流动损失等现象，需要采用能用于排放废热的中间回路。此外，高温气冷堆的核电站被设计成整体结构，整个氦气回路的部件被安装在一个受预应力作用的混凝土高压容器内。6.4氦气轮机与高温气冷堆的协同发展20世纪40年代中期，即已提出了针对氦气轮机的设计方案。20世纪60年代，英、美、德等国先后建造了3座试验性高温气冷堆。随着高温气冷堆的成功发展，1970年德国和瑞士合作，开展了大量研究，利用高温气冷堆的高温潜力进一步推动氦气轮机技术的发展。美国也开展了相应的工作，曾拟建大型商用高温气冷堆。但在建造过程中，由于在非核设备上出现了一定技术问题，因此放慢了高温气冷堆及氦气轮机的发展速度。1974年，多国开展合作，共同完成了对高温气冷堆核电站的研究及设计，并以采用直接循环的氦气轮机作为动力机组。同年12月，德国建成了以化石燃料加热的氦气轮机，此后该国也建成了大流量、高功率的氦试验回路。在以后的数年间，采用直接循环氦气轮机的高温气冷堆装置得到充分发展16。7我国核能应用前景展望根据我国目前到21世纪中叶的能源需求与供应预测、供需总量平衡及结构分析，推测我国届时的能源供应状况如下：第一，常规能源（不包括核能源）供应较难满足需求；第二，液态燃料缺口较大，现代化的社会和高度发展的经济需要大量的液态燃料；第三，以煤炭为主的能源结构将会造成环境问题和运输压力。同时，煤炭燃煤过程会排放大量的SO2、氮氧化物(NOx)、烟尘和灰渣等污染物。大量的煤炭需要从山西省、山西省、内蒙古自治区或更远的地区调运到东部与南部地区，将对铁路及其他交通系统造成巨大压力。考虑到当前情况，大力发展核能势在必行。但当前制约核能大规模发展的问题主要包括两方面：一方面是技术问题，另一方面是社会问题。影响核能发展的第一个技术难题是核废料的处理问题。核废料如果处理不当，将长期危害人们的身体健康。部分国家至今仍未找到能够永久性储存核废料的地方，可能要到21世纪中期，才能妥善地解决核废料长期储存或永久销毁的方法。组合核能发展的另一个技术难题是如何保证核反应综述93NO.10 2023节能 ENERGY CONSERVATION堆不发生事故，即解决堆电站长期安全可靠工作的问题。核电工业作为一种新型工业部门，总体上有着较好的安全性。为了更有效地利用核能，必须从战略角度考虑核动力的发展问题。随着时代的发展与科技的进步，核动力装置的安全运行及核废料的处理等问题，终将得到妥善解决17。8结语高温气冷堆是一种有着独特优势的先进核反应堆，曾被部分国家列为重点发展堆型。而与高温气冷堆相匹配使用的氦气轮机不仅可用于发电，也有望用作于核动力舰艇的推进主机。将两者相结合，虽有较好的技术基础，但仍有不少研究工作亟待开展。随着产业的发展和关键问题的逐步解决，采用氦气轮机的高温气冷堆将是一类具有广阔发展前景的堆型。参考文献1 伍赛特.受控核聚变技术应用前景展望 J.上海节能，2018（12）：963-966.2 彭敏俊.船舶核动力装置 M.北京：原子能出版社，2009.3 高立本，沈健.高温气冷堆的发展与前景 J.中国核工业，2016（10）：24-26，55.4 张作义，原鲲.我国高温气冷堆技术及产业化发展 J.现代物理知识，2018，30（4）：4-10.5 侯艳丽.高温气冷堆的应用模式探索 J.能源，2020（12）：35-38.6 秦海欣.我国高温气冷堆核电站的成本研究 D.衡阳：南华大学，2013.7 张作义，吴宗鑫，王大中，等.我国高温气冷堆发展战略研究 J.中国工程科学，2019，21（1）：12-19.8 张浩，王建建.模块式高温气冷堆的技术背景及展望 J.中国核电，2021，14（3）：419-422.9 周红波，齐炜炜，陈景.模块式高温气冷堆的特点与发展 J.中外能源，2015，20（9）：35-40.10 王辉，王冲.用于高温气冷堆发电设备的闭式循环氦气轮机装置 J.热能动力工程，2005（4）：337-341，439.11 伍赛特.核电汽轮机结构设计及运行特点研究 J.科技创新与应用，2021，11（16）：98-100，103.12 王捷，顾义华.高温气冷堆氦气轮机基本特性研究 J.核科学与工程，2004（3）：218-223.13 王捷，王宏，赵钢，等.高温气冷堆氦气透平压气机和主氦风机研究进展 J.清华大学学报：自然科学版，2021，61（4）：350-360.14 蔡宝玲，马晓珑，孟强，等.高温气冷堆核电机组一次调频控制策略研究 J.热力发电，2022，51（2）：71-77.15 丁军，索双富，张妙恬.高温气冷堆主氦风机主轴的迷宫密封泄漏特性 J.润滑与密封，2022，47（7）：49-53.16 雷鸣泽.高温气冷堆产业推广及应用前景 J.中国核电，2018，11（1）：26-29.17 赵仁恺，阮可强，石定寰，等.八六三计划能源技术领域研究工作进展19862000 M.北京：原子能出版社，2001.