我国高温气冷堆的发展

我国高温气冷堆的发展

吴宗鑫

1　引言

　　高温气冷堆新近的发展已引起广泛的关注。除了中国和日本正在建造高温气冷实验堆之外，南非、美国、俄罗斯、法国等国都在积极开展高温气冷堆的发展工作，一些发展中国家对高温气冷堆表示了极大的兴趣。
　　高温气冷堆具有安全性好、发电效率高、小容量模块化建造等特点，正好适应了全球正在兴起的电力系统非管制化发展趋势对发电厂的要求。
　　高温气冷堆用氦气作冷却剂，石墨作慢化材料，采用包覆颗粒燃料和全陶瓷的堆芯结构材料。图1表示了清华大学核能技术设计研究院正在建造的10MW高温气冷实验堆的总体结构。

图1　10MW高温气冷实验堆的总体结构

2　高温气冷堆特点

2.1　安全性好
　　高温气冷堆是国际核能界公认的一种具有良好安全特性的堆型。图2表示了三里岛核事故后世界核反应堆安全性改进的趋势，其堆芯融化概率有了显著的改进。目前世界上的核电厂堆芯融化概率均能达到图2中实线所表示“满足要求的电厂”的水平，而且一些核电厂达到了“优异安全性电厂”的水平。美国电力研究所(EPRI)制定的《电力公司用户要求》文件提出的先进轻水堆的堆芯融化概率设计要求为10－5/堆^.年。模块式高温气冷堆(MHTR)为革新型的堆型，其估计的堆芯熔化概率低于10^－7/堆^.年，远小于先进轻水堆堆芯熔化概率的要求。

图2　世界核电厂安全性改进的发展趋势

　　高温气冷堆采用优异的包覆颗粒燃料是获得其良好安全性的基础。铀燃料被分成为许多小的燃料颗粒，每个颗粒外包覆了一层低密度热介碳，两层高密度热介碳和一层碳化硅。包覆颗粒直径小于1mm，包覆颗粒燃料均匀弥散在石墨慢化材料的基体中，制造成直径为6cm的球形燃料元件(见图3)。包覆层将包覆颗粒中产生的裂变产物充分地阻留在包覆颗粒内，实验表明，在1600℃的高温下加热几百小时，包覆颗粒燃料仍保持其完整性，裂变气体的释放率仍低于10^－4。高温气冷堆具有如下的基本安全特性：

图3 高温气冷堆球形燃料元件

2.1.1　反应性瞬变的固有安全特性在整个温度范围内，高温气冷堆堆芯反应性温度系数(燃料和慢化剂温度系数之和)均为负，具有瞬发效应的燃料温度系数也为负。因此，在任何正反应性引入事故情况下，堆芯均能依靠其固有反应性反馈补偿能力，实现自动停堆。高温气冷堆正反应性引入事故主要有：
　　①控制棒误抽出；②蒸汽发生器发生破管，水进入堆芯造成慢化能力增强引入正反应性事故；③一回路风机超速转动，冷却剂热端平均温度下降引入的正反应事故等。
　　事故分析的结果表明，在发生上述正反应性引入事故条件下，堆功率上升导致燃料元件的温度升高，但负反应性温度系数能迅速抑制其功率的上升，燃料最高温度远低于燃料元件最高温度限值。
2.1.2　余热载出非能动安全特性模块式高温气冷堆堆芯的热工设计时考虑了在事故工况下堆芯的冷却不需要专设的余热冷却系统，堆芯的衰变热可籍助于导热、对流和辐射等非能动机制传到反应堆压力容器外的堆腔表面冷却器，再通过自然循环，由空气冷却器将堆芯余热散发到大气(最终热阱)中(见图4)。

图4　非能动堆芯余热排出系统