我國高溫氣冷堆的發(fā)展

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1、我國高溫氣冷堆的發(fā)展【摘要】：模塊化高溫氣冷堆具有的固有安全特性、建造周期短和機(jī)組容量小等優(yōu)勢(shì)正好符合電力系統(tǒng)非管制化(Deregulation)發(fā)展趨勢(shì)對(duì)于發(fā)電廠的要求，清華大學(xué)核能設(shè)計(jì)研究院正在建造一座10MHTR)為革新型的堆型，其估計(jì)的堆芯熔化概率低于10－7/堆.年，遠(yuǎn)小于先進(jìn)輕水堆堆芯熔化概率的要求。圖2　世界核電廠安全性改進(jìn)的發(fā)展趨勢(shì)　　高溫氣冷堆采用優(yōu)異的包覆顆粒燃料是獲得其良好安全性的基礎(chǔ)。鈾燃料被分成為許多小的燃料顆粒，每個(gè)顆粒外包覆了一層低密度熱介碳，兩層高密度熱介碳和一層碳化硅。包覆顆粒直徑小于1mm，包覆顆粒燃料

2、均勻彌散在石墨慢化材料的基體中，制造成直徑為6cm的球形燃料元件(見圖3)。包覆層將包覆顆粒中產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物充分地阻留在包覆顆粒內(nèi)，實(shí)驗(yàn)表明，在1600℃的高溫下加熱幾百小時(shí)，包覆顆粒燃料仍保持其完整性，裂變氣體的釋放率仍低于10－4。高溫氣冷堆具有如下的基本安全特性：圖3高溫氣冷堆球形燃料元件2.1.1　反應(yīng)性瞬變的固有安全特性在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，高溫氣冷堆堆芯反應(yīng)性溫度系數(shù)(燃料和慢化劑溫度系數(shù)之和)均為負(fù)，具有瞬發(fā)效應(yīng)的燃料溫度系數(shù)也為負(fù)。因此，在任何正反應(yīng)性引入事故情況下，堆芯均能依靠其固有反應(yīng)性反饋補(bǔ)償能力，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停堆。高溫氣冷

3、堆正反應(yīng)性引入事故主要有：　　①控制棒誤抽出；②蒸汽發(fā)生器發(fā)生破管，水進(jìn)入堆芯造成慢化能力增強(qiáng)引入正反應(yīng)性事故；③一回路風(fēng)機(jī)超速轉(zhuǎn)動(dòng)，冷卻劑熱端平均溫度下降引入的正反應(yīng)事故等?！　∈鹿史治龅慕Y(jié)果表明，在發(fā)生上述正反應(yīng)性引入事故條件下，堆功率上升導(dǎo)致燃料元件的溫度升高，但負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)能迅速抑制其功率的上升，燃料最高溫度遠(yuǎn)低于燃料元件最高溫度限值。2.1.2　余熱載出非能動(dòng)安全特性模塊式高溫氣冷堆堆芯的熱工設(shè)計(jì)時(shí)考慮了在事故工況下堆芯的冷卻不需要專設(shè)的余熱冷卻系統(tǒng)，堆芯的衰變熱可籍助于導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射等非能動(dòng)機(jī)制傳到反應(yīng)堆壓力容器外的堆腔

4、表面冷卻器，再通過自然循環(huán)，由空氣冷卻器將堆芯余熱散發(fā)到大氣(最終熱阱)中(見圖4)。圖4　非能動(dòng)堆芯余熱排出系統(tǒng)　　當(dāng)發(fā)生一回路冷卻劑流失的失壓事故時(shí)，堆芯的余熱已不可能由主傳熱系統(tǒng)排出，只能依靠上述的非能動(dòng)余熱載出系統(tǒng)將堆芯衰變熱載出，這樣必然使堆芯中心區(qū)域的燃料元件溫度升高。為了使堆芯燃料元件的最高溫度限制在1600℃的溫度限值內(nèi)，模塊式高溫氣冷堆堆芯功率密度和堆芯的直徑將受到限制?！　∧K式高溫氣冷堆余熱非能動(dòng)載出功能的實(shí)現(xiàn)基本上排除了發(fā)生堆芯熔化事故的可能性，具有非能動(dòng)的安全特性。2.1.3　阻止放射性釋放的多重屏障縱深防御和多

5、重屏障是所有核電廠的基本安全原則。作為模塊式高溫氣冷堆第一道屏障的燃料元件，在所有運(yùn)行和事故工況下，堆芯燃料元件的最高溫度限制在1600℃內(nèi)。在此溫度以下，熱解碳層和致密的碳化硅包覆仍保持完整性，能使氣態(tài)和金屬裂變產(chǎn)物幾乎完全被阻留在包覆燃料顆粒內(nèi)。而且裂變材料被大量分散到許多小的燃料顆粒內(nèi)，獨(dú)立形成屏障，具有很高的可靠性?！　∫换芈返膲毫吔缡欠乐狗派湫晕镔|(zhì)釋放的第二道屏障。一回路的壓力邊界由以下幾個(gè)壓力容器所組成：反應(yīng)堆壓力容器，蒸汽發(fā)生器壓力容器，以及連接這兩個(gè)壓力容器的熱氣導(dǎo)管壓力容器。這些壓力容器發(fā)生貫穿破裂的可能性可以排除?！?/p>

6、　由于在任何工況下不會(huì)發(fā)生燃料元件溫度超過1600℃而使裂變產(chǎn)物大量釋放的事故，而且在正常運(yùn)行工況下一回路冷卻劑的放射性水平很低，故在發(fā)生失壓事故時(shí)，即使一回路冷卻劑全部釋放到周圍環(huán)境中，對(duì)周圍環(huán)境造成的影響也是很小的。因此，在模塊式高溫氣冷堆的設(shè)計(jì)中不設(shè)置安全殼，而采用“包容體”的設(shè)計(jì)概念?！鞍蒹w”不同于安全殼，無氣密性和承全壓的要求，無需噴淋降壓和可燃?xì)怏w控制等功能，系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化?！　「邷貧饫涠训摹鞍蒹w”功能是由具有一定密封性能的一回路艙室來實(shí)現(xiàn)的。在10kPa壓差下的泄漏率小于10－2/天。在正常運(yùn)行工況下，由排風(fēng)系統(tǒng)保持一回路

7、艙室的負(fù)壓，防止一回路艙室內(nèi)放射性物質(zhì)向反應(yīng)堆建筑內(nèi)擴(kuò)散，排風(fēng)經(jīng)過濾后由煙囪排出；當(dāng)發(fā)生一回路冷卻劑失壓嚴(yán)重事故，一回路艙室中的壓力超過10kPa時(shí)，自動(dòng)打開事故排風(fēng)管道的爆破膜，放射性物質(zhì)不經(jīng)過濾直接由煙囪排向大氣。由于直接釋放放射性的后果并不嚴(yán)重，加之一回路艙室內(nèi)壓力經(jīng)短時(shí)間后立即下降到正常壓力，系統(tǒng)又恢復(fù)經(jīng)過濾排出，這樣可以防止事故過程中大量放射性裂變物質(zhì)直接向環(huán)境的釋放，避免了大量放射性釋放的風(fēng)險(xiǎn)性。圖5　氦氣透平直接循環(huán)流程圖圖6　直接聯(lián)合循環(huán)發(fā)電流程圖2.2　發(fā)電效率可提高　　模塊式球床型高溫氣冷堆采用了余熱非能動(dòng)載出的特性，

8、雖大大地增強(qiáng)了安全性，但是其單堆的功率受到了很大的限制。由于球床型高溫氣冷堆可以提供950℃的高溫氦氣，充分利用其高溫氦氣的潛力獲得更高的發(fā)電功率是提高其經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的主要發(fā)展方向。氦氣透平直接