關於高溫氣冷堆

高溫氣冷核反應堆最早在前蘇聯60年代就已經提出，其於60年代後期曾經專門就此技術展開討論，當時得出的結論是「與其花大代價研製新型的有很大風險的高溫氣冷堆還不如繼續研製壓水堆」，確實，當時壓水堆的技術還有很大發展餘地，而高溫氣冷核反應堆的理論最早於1964年3月見於前蘇聯核專家烏裡揚諾夫提交的一份論文。但是在當時研製這樣的新型反應堆確實有很大技術風險，主要瓶頸在於堆體對於材料的力學強度和堆內反應控制要求特別高，對堆內反應溫度的掌握稍有不慎就會造成爆炸，發生與1986年前蘇聯切爾諾貝利核電站相似的事故。前蘇聯雖然沒有在60年代就這一項目上馬，但是並沒有放棄對這一技術的研究，每年都專門撥款進行相關研究，使得前蘇聯在這一領域的研究遠遠快於美國。80年代，在材料力學有了很大發展之後，前蘇聯將研製高溫氣冷核反應堆列入正式計劃。

超靜音-美國做不到中國能做到
中國的高溫氣冷核反應爐可以完全停機,實現核潛艇的超靜音。
今年6月，一個越洋長途電話打到了清華大學核能與新技術研究院(下稱核研院)。美國《紐約時報》記者向核研院院長張作義了解10兆瓦高溫氣冷實驗堆的建設和運行情況，並就未來核電站的發展問題進行了採訪。這個引起美國媒體關注的試驗堆就是國家“863計劃”項目：10兆瓦高溫氣冷實驗堆氦氣透平發電項目
11年前已讓美國人心服口服
1994年9月30日上午10點08分32秒。清華大學核研院。來自30多個國家的60多名核能專家和國際原子能機構的官員紛紛屏住呼吸，靜靜地察看著10兆瓦高溫氣冷實驗堆開始的核安全演示。工作人員通過操作讓核反應爐冷卻劑迴圈風機停止工作，立刻反應堆向外傳輸熱量的能力喪失了。要知道，核反應爐在停堆之後還會繼續產生熱量，而不是像鍋爐熄火後便不再產生熱量。這個熱如果不加以冷卻，反應堆就可能發生堆芯熔化、放射性外泄的嚴重事故，這也是核安全的最主要的技術挑戰。迴圈風機剛一停止工作，報警聲便剌耳地響起，中外賓客瞪大眼睛盯住顯示屏上的變化，只見正常運行的曲線急劇下降，反應堆的熱功率由3000多千瓦降為幾百千瓦，最後反應堆發熱維持在正常運行時的1.5%%左右。這表明熱量通過反應堆壓力殼的表面自動散發到周圍環境中，而不需要任何附加的冷卻系統。
核研院的這一實驗展示了模組式高溫氣冷堆的一個最重要特性：在任何事故情況下，包括喪失所有冷卻的情況下，不採取任何人為的和機器的干預，反應堆能保持安全狀態。我國已經掌握核電站的最新一代技術。
美國麻省理工學院教授、美國核學會前任主席克達克先生對清華核研院的這一安全演示給予極高的評價：中國這個滿功率運行的球床模組式實驗反應堆是目前世界上唯一的一座，它的技術及安全水準已走在了世界的前列，美國希望從這個實驗堆中學到更多的東西。
轉自81.china.com

2006-10-14 15:47:22 補充：
模組化高溫氣冷核反應爐是一種安全性好、可用於高效發電和高溫供熱的先進核反應爐，它是國際核能領域第四代核能系統中六種備選堆型之一，並且是唯一可在２０２０年前實現商業化運行的第四代核能系統。

2006-10-15 21:01:44 補充：
典型的高溫氣冷反應器的容器結構。其核心通常採用濃縮成分很高的鈾－釷（235U-232Th-233U）作為核燃料，並使233U再循環使用。在反應器剛啟動時，核心所含的濃化鈾-235高達93％，其餘為232Th以碳化物或氧化物的形式存在。

2006-10-15 21:02:01 補充：
在以後的核燃料循環中可採用233U以代替用過的235U在鈾及釷燃料的表層通常包覆著熱解過的含碳物接合於燃料表面，以保存氣體分裂產物於燃料之內。在鈾-235的燃料顆粒表面並包覆一層碳化矽物質，使金屬性分裂產物同時能保持於可裂核燃料內，並容易作為以後核燃料再處理過程中鑑別可裂及可孕核燃料之用。

2006-10-15 21:02:16 補充：
採用氣體作為冷卻劑的快滋生爐也如液態金屬的快滋生反應爐（LMFBR）那樣具有吸引性，而前者較後者有下列幾種優點：(一)氣體冷卻劑中氦為鈍氣，不與空氣及水起作用，故無需額外設置中間熱交換器。(二)氦氣與中子交互作用的反應比液態鈉小，故所需的過量反應率低，滋生效果好，可使倍增時間縮短。(

2006-10-15 21:02:35 補充：
三)氦氣的放射性污染小，不像鈉那樣具有高的誘導放射性，因此維修容易，安全性高。(四)液態鈉由於溫度過高會引起沸騰，產生氣泡，致過度加熱甚至將燃料元件燒毀，氦氣則不會產生氣泡，故無此意外災害。(五)氣冷式常置有緩速劑，使釷的利用率大大提高。但GCFBR的缺點則為氣體的導熱率很低，熱傳性能欠佳，故為改善熱傳效率，需操作於高溫及高壓情況下，容器所遭受的壓力較大，同時遇到反應器意外事件停機時，不能像液態鈉可利用自然對流方式自行冷卻，而需完全靠機械方式使氣體冷卻劑循環冷卻。

高溫氣冷堆是一種安全性、經濟性好的先進反應堆，它采用全陶瓷燃料元件，氦氣作冷卻劑，石墨作慢化劑和結構材料。

當燃料元件冷卻后，剩余熱量會通過熱傳導和熱輻射向周圍散失而冷卻，其堆芯即使在１６００攝氏度的高溫下也能完好無損，在任何情況下都不會發生前蘇聯切爾諾貝利核電站那種對公眾和環境造成危害的嚴重核事故。

這種反應堆發電效率高達４0％至４７％，它可以產生９５０攝氏度的高溫工藝熱，除了發電外，還可以進行煤的氣化和液化，稠油熱采，制氫，并可用于治金和石油化工等部門，在未來的能源系統中具有廣闊的應用前景。

近年來，國際上提出了“第四代先進核能系統”的概念，這種核能系統具有良好的固有安全性，在事故下不會對公眾造成損害，在經濟上能夠和其他發電方式競爭，并具有建設期短等優點，高溫氣冷堆是有希望成為第四代先進核能系統的技朮之一。

中國高溫氣冷堆的研究發展工作始于７０年代中期，主要研究單位是清華大學核研院。

值得一提的是，建成的首座高溫氣冷堆的壓力殼直徑４．７米，高１２．６米，重１５０噸，是我國自己設計和制造的迄今體積最大的核安全級壓力容器。蒸汽發生器直徑２．９米，高１１．７米，重３０噸，堆內有約１３０００個零部件，總重量近２００噸。這些設備的制造成功，使中國成為少數几個能夠加工制造高溫氣冷堆關鍵設備的國家之一，為高溫氣冷堆的國產化做出了重要貢獻。

10兆瓦高溫氣冷堆直接氦氣循環發電裝置是世界上第一個將模塊化高溫氣冷堆與氣體透平直接循環相結合的試驗裝置。經過兩年多的努力，項目在幾個關鍵技術上已經取得重大突破和進展：

1）完成能量轉換單元熱力循環方案優化。
2）攻克了氦氣透平壓氣機組技術難關。
3）破解了電磁軸承技術難題。
4）解決了立式工作潤滑油密封和變工作壓力油站供油兩個氦氣氛圍立式高速齒輪減速器的技術難題。

高溫氣冷堆氦氣透平直接循環發電是高溫堆發展的方向，它的技術特點是：系統簡單，只有一個熱力回路；發電效率高，商用堆的發電效率可達47%%左右，加上模塊式高溫堆的固有安全性特點，使之成為非常有競爭力的新堆型。但它也存在著一系列的技術難點和挑戰，例如：氦氣輪機與反應堆耦合技術、氦氣透平的研制、高效緊湊式換熱器的研制、電磁軸承系統研制、高壓動力貫穿件等，都是各所屬學術領域前沿課題。許多國家投入相當的人力物力進行研究開發，但都停留在研究設計階段，只有中國的HTR-10GT項目在順利進入實施階段。清華大學核研院有能力、有信心按期建成世界上第一座模塊化高溫氣冷堆氦氣透平發電系統實驗電站，保持中國在這一高技術領域處于國際領先水平，在國際能源領域新一輪競爭中搶占制高點，早日實現產業化，為中國核能事業作出重大貢獻。

以HTR-10GT攻關項目為研究內容，到目前為止共發表學術研究論文180余篇，學術專著2部；其中，國際學術研究論文70余篇。

申請發明專利
以HTR-10GT攻關項目為研究內容，到目前為止共申請發明專利20項，其中已經獲得授權7項。

唯一性
10兆瓦高溫氣冷堆是唯一可在2020年前實現商業化運行的第四代核能系統。

第一個
建成了世界上第一個模塊化高溫氣冷堆實驗電站。