核能与新能源技术研究院

Institute of Nuclear and New Energy Technology,Tsinghua University 

 

国家科技重大专项

 

 

高温气冷堆核电站

 

中国华能集团公司  中国核工业建设集团公司  清华大学

 

高温气冷堆是具有第四代核电系统特征的先进堆型,其固有安全性、发电效率高、系统简单、用途广泛等特点,受到了国际上的广泛关注。

2006年,高温气冷堆核电站被列为国家科技重大专项。作为中国装机容量最大的电力集团,华能集团积极履行社会责任,牵头与中国核工业建设集团、清华大学共同出资建设世界首座、并具有我国自主知识产权的球床模块式高温气冷堆核电站示范工程。示范工程由两座反应堆、两台蒸汽发生器、一台汽轮发电机组和其他附属系统组成。反应堆采用球形燃料元件,石墨为慢化剂,氦气为一回路冷却剂。

当反应堆运行时,氦气将核反应产生的热量带出堆芯,经过热气导管进入到蒸汽发生器中,将热量传递给二次侧的水,产生过热蒸汽,推动汽轮发电机发电。冷却后的氦气由主氦风机升压后送回堆芯进行下一次循环。在运行过程中,燃料元件由堆芯底部进入卸料管,通过燃耗测量器进行燃耗测量,将未达到设计燃耗值的燃料元件重新装入堆芯使用,反之,将燃料元件输送到乏燃料贮罐贮存,实现了连续装卸燃料不停堆的运行方式。

高温气冷堆最大的特点是充分利用高性能的燃料元件,和大的负温度系数,实现了反应堆的固有安全特性,排除了严重放射性事故发生的可能。

全陶瓷包覆颗粒燃料元件由外致密热解碳层、碳化硅层、内致密热解碳层、疏松热解碳层和二氧化铀燃料核心构成,复合包覆层组成微球型压力容器,能够在不高于1620°C的温度下,阻止放射性裂变产物的释放。在失去强迫冷却后,仅依赖良好的负反馈特性,和足够大的温升阈量,就能使反应堆进入到热停堆状态。在任何情况下,燃料元件的最高温度均不超过其安全限值,从而确保不会发生堆芯熔化和放射性大量释放的严重后果。

示范工程采用非能动的余热排出系统,通过热传导、热辐射、自然对流等自然机制,把余热从堆芯传递给位于反应堆舱室的水冷壁,通过水的自然循环,把热量带到空气冷却器,与空气进行换热,从而使热量扩散到大气环境中。

在利用固有安全特性和非能动安全系统,大大提高核电厂安全水平的基础上,中国国家核安全局在安审原则中明确提出,高温气冷堆核电站示范工程设计上要达到的一个目标是“尽管管理当局仍然可以要求,一个基本目标是在技术上对外部干预措施的需求是有限的,甚至是可以免除的”,从技术上来讲,可以取消场外应急。同时,与压水堆核电站相比,高温气冷堆在设计上不需考虑安注系统、应急堆芯冷却系统等专设安全设施,使安全系统得到很大的简化。另外,它还可以利用单堆功率不大的特点,通过多模块组合的方式,逐步扩大容量,降低一次投资,灵活适应市场的不同规模需求,在标准化和系列化生产部件设备的基础上,缩短建造时间。

高温气冷堆超临界蒸汽发电效率为45%,在氦气透平联合循环下,效率能达到50%以上。作为一种先进堆型,上千度的氦气出口温度在提高电站发电效率的同时,还可以支持多种工业应用,例如为炼油、化工、稠油热采等领域提供高参数蒸汽,850°C至1000°C的出口氦气可用于高温水裂解制氢,对于占领氢能时代的制高点起到积极作用。

电力工业的发展需要一种更安全、更环保、更高效率、用途更广的核电技术,高温气冷堆核电技术的发展将对国际能源、气候和安全目标的实现有着重要意义。