淺析10MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆對(duì)于高溫氣冷堆示范工程的作用

趙 木，馮九河

(中核能源科技有限公司，北京 100084)

淺析10MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆對(duì)于高溫氣冷堆示范工程的作用

趙 木，馮九河

(中核能源科技有限公司，北京 100084)

介紹了10MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆 (簡(jiǎn)稱HTR-10)工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)成果，論述了HTR-10的成功對(duì)于高溫氣冷堆示范工程的現(xiàn)實(shí)意義。

核能;高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆;示范工程

1 前言

21世紀(jì)全球?qū)δ茉吹男枨罅繉⒗^續(xù)增長(zhǎng)，核能必將有一個(gè)大的發(fā)展。球床模塊式高溫冷堆具有固有安全性、高效發(fā)電、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等特性和優(yōu)點(diǎn)，是新一代的先進(jìn)核反應(yīng)堆，將在我國(guó)未來(lái)的能源系統(tǒng)中，高效發(fā)電、工藝供熱和核煤轉(zhuǎn)化生產(chǎn)液態(tài)燃料、制氫開(kāi)發(fā)氫能源等方面發(fā)揮其獨(dú)特的作用。國(guó)外高溫氣冷堆的發(fā)展主要經(jīng)歷了早期氣冷堆 (Magnox)、改進(jìn)型氣冷堆 (AGR)和高溫氣冷堆 (HTGR)。

我國(guó)高溫氣冷堆研究始于20世紀(jì)70年代，清華大學(xué)核研院對(duì)高溫氣冷堆某些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行過(guò)早期的探索。根據(jù)我國(guó)技術(shù)發(fā)展水平和經(jīng)濟(jì)條件，1992年國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，在2000年前建造一座熱功率10MW的高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆，以掌握高溫氣冷堆的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行技術(shù)，作為我國(guó)發(fā)展高溫氣冷堆戰(zhàn)略的第一步。1993年7月12日國(guó)家科委、國(guó)家教委簽訂“863”計(jì)劃高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆委托建設(shè)和運(yùn)行管理合同。1994年12月26日國(guó)家核安全局完成對(duì)HTR-10“初步安全分析報(bào)告”的審評(píng)，并頒發(fā)建造許可證。1995年6月14日HTR－10工程澆灌第一罐混凝土。2000年11月17日國(guó)家核安全局完成HTR-10“最終安全分析報(bào)告”的審評(píng)，并頒發(fā)裝料許可證。2000年12月首次裝料達(dá)到臨界。從2002年8月起，反應(yīng)堆開(kāi)始進(jìn)行低功率(5%額定功率以下)調(diào)試運(yùn)行，并做了大量相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備的熱態(tài)功能試驗(yàn)驗(yàn)證。自2002年11月開(kāi)始，連續(xù)進(jìn)行30%、50%、75%、100%額定功率下的各項(xiàng)試驗(yàn)。2003年1月29日19∶30分完成72h的滿功率調(diào)試運(yùn)行和驗(yàn)證試驗(yàn)。2003年期間，經(jīng)國(guó)家核安全局審查批準(zhǔn)，在該堆上成功的進(jìn)行了3項(xiàng)驗(yàn)證固有安全性的試驗(yàn)，受到國(guó)內(nèi)外核能界極大的關(guān)注和高度評(píng)價(jià)。2004年度全年累計(jì)運(yùn)行150d，功率運(yùn)行3070h。運(yùn)行中進(jìn)行了散熱、供熱、發(fā)電和熱電聯(lián)供等不同運(yùn)行模式和工況下的連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)，取得了大量運(yùn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和寶貴的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

實(shí)踐證明，我國(guó)自主設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行的10MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆是成功的，它是目前世界上第一座建造運(yùn)行成功的模塊式球床高溫氣冷堆，獲得了2006年國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。經(jīng)過(guò)兩年時(shí)間，完成了包括環(huán)境影響在內(nèi)的100項(xiàng)安全相關(guān)系統(tǒng)方面的實(shí)驗(yàn)。其關(guān)鍵設(shè)備都由我國(guó)自主設(shè)計(jì)、制造和建設(shè)。它的并網(wǎng)發(fā)電成功，為我國(guó)今后模塊式高溫氣冷堆核電站產(chǎn)業(yè)化發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。

2 HTR-10為示范工程提供的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

2.1 HTR-10設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

(1)采用了具有固有安全性模塊式高溫氣冷堆設(shè)計(jì)概念［1］，如圖1所示。

(2)滿足“863”計(jì)劃所規(guī)定的進(jìn)行多項(xiàng)目的試驗(yàn)要求，即a.掌握高溫氣冷堆的設(shè)計(jì)、建造與運(yùn)行技術(shù);b.驗(yàn)證模塊式高溫氣冷堆的固有安全性;c.進(jìn)行高溫氣冷堆燃料元件和材料的輻照試驗(yàn);d.進(jìn)行發(fā)電和區(qū)域供熱實(shí)驗(yàn);e.開(kāi)展高溫工藝熱的應(yīng)用研究。

圖1 HTR-10一回路系統(tǒng)剖面圖

(3)分兩階段運(yùn)行達(dá)到預(yù)定的研究目標(biāo)，即第一階段堆芯氦氣出口溫度為700℃，由蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽進(jìn)行發(fā)電和區(qū)域供熱試驗(yàn);第二階段將堆芯氦氣的出口溫度提高到900℃，進(jìn)行氣體汽輪機(jī)循環(huán)發(fā)電試驗(yàn)或高溫工藝熱的試驗(yàn)研究。

在整體設(shè)計(jì)、堆體設(shè)計(jì)、廠房布置、材料選擇等方面均考慮由第一階段運(yùn)行擴(kuò)展到第二階段運(yùn)行的可行性。

2.2 HTR-10建設(shè)經(jīng)驗(yàn)為示范工程提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)

HTR-10從工程設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、工程實(shí)驗(yàn)、設(shè)備安裝和調(diào)試運(yùn)行等方面都有很多技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題要解決。多年來(lái)清華大學(xué)核研院與國(guó)內(nèi)有關(guān)參與HTR-10建設(shè)單位共同努力，克服了重重難關(guān)，突破了關(guān)鍵技術(shù)，取得了許多重大科技成果和工程建造成果，其中有些是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)或達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先或先進(jìn)水平。目前，HTR-10已成為我國(guó)高溫氣冷堆技術(shù)發(fā)展的研究基地，為我國(guó)高溫氣冷堆的設(shè)計(jì)、制造、建造、運(yùn)行等提供了大量技術(shù)和實(shí)踐數(shù)據(jù)。

2.2.1掌握高溫氣冷堆在設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行方面的技術(shù)

我國(guó)雖經(jīng)20多年高溫氣冷堆的研究，在一些關(guān)鍵技術(shù)，如燃料元件的制造，氦技術(shù)，核物理、熱工、結(jié)構(gòu)，安全軟件等方面都已取得可喜的進(jìn)展。但在高溫氣冷堆工程設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行尚無(wú)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。而通過(guò)HTR-10的建設(shè)，將使我國(guó)全面掌握這三個(gè)方面的技術(shù)。為模塊式高溫氣冷堆示范工程的產(chǎn)業(yè)化、商用化積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

HTR-10工程建設(shè)主要成果為：(1)證實(shí)HTR-10基本性能和主要運(yùn)行參數(shù)已達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo);(2)驗(yàn)證了包覆顆粒球形燃料元件的研制技術(shù);(3)驗(yàn)證了氦技術(shù)研究成果和關(guān)鍵氦技術(shù)設(shè)備的研制成功;(4)驗(yàn)證了連續(xù)裝卸燃料的管理方式和關(guān)鍵技術(shù)的突破［2，3］; (5)驗(yàn)證了創(chuàng)造性的自主開(kāi)發(fā)的全數(shù)字化的儀控和保護(hù)系統(tǒng)功能［4］; (6)驗(yàn)證了所采用的各種計(jì)算、管理程序和質(zhì)保體系都是可行、有效的。

2.2.2提供一個(gè)燃料元件和材料的輻照實(shí)驗(yàn)基地

在HTR-10的石墨反射層中設(shè)計(jì)預(yù)留了用于進(jìn)行石墨、金屬材料和燃料元件輻照實(shí)驗(yàn)的孔道，這為今后國(guó)產(chǎn)材料和元件的輻照實(shí)驗(yàn)提供了裝置并使這些材料和元件實(shí)際應(yīng)用有了可靠的技術(shù)保證。特別是在HTR-10的設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮大量燃料元件在16000C工況下的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，這是國(guó)際上尚未進(jìn)行過(guò)的實(shí)驗(yàn)研究，它將為高溫氣冷堆的安全性提供進(jìn)一步驗(yàn)證依據(jù)，為200MW高溫氣冷堆示范工程的建設(shè)提供成熟的材料。

2.2.3進(jìn)行發(fā)電和區(qū)域供熱試驗(yàn)

在HTR-10第一期工程中要考慮各種運(yùn)行模式，包括單一發(fā)電、熱電聯(lián)供和單一供熱等。這可拓寬高溫氣冷堆的應(yīng)用范圍，并為稠油開(kāi)采和石化工業(yè)要求的熱電聯(lián)供提供實(shí)際的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，為示范工程及未來(lái)的群堆建設(shè)提供了應(yīng)用基礎(chǔ)。

2.2.4驗(yàn)證模塊式高溫氣冷堆的固有安全性

國(guó)內(nèi)外的設(shè)計(jì)和計(jì)算表明，模塊式高溫氣冷堆是一種具有極好固有安全性的反應(yīng)堆。但固有安全特性應(yīng)該通過(guò)反應(yīng)堆的試驗(yàn)予以充分證明，這些特性包括停風(fēng)機(jī)后自動(dòng)停堆、失壓失冷后堆芯溫度的變化、余熱傳出的能力、控制棒全部抽出堆功率及溫度的變化等。HTR-10的設(shè)計(jì)、建造滿足這些試驗(yàn)的要求和條件，安全特性試驗(yàn)證明HTR-10具有固有安全性，為200MW高溫氣冷堆示范工程的合理設(shè)計(jì)提供了保證。

2.2.5HTR-10實(shí)驗(yàn)堆為示范工程培養(yǎng)人才

HTR-10從設(shè)計(jì)、建造到運(yùn)行的全過(guò)程是一所培養(yǎng)建堆人才的大學(xué)校，是造就各類工作崗位人才骨干有效的理論和實(shí)踐的基地。事實(shí)證明，高溫氣冷堆示范工程的設(shè)計(jì)就是以這批人才為根本。HTR-10和這批人才，對(duì)我國(guó)高溫氣冷堆示范的建設(shè)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

2.2.6HTR-10關(guān)鍵設(shè)備的突破與科技成果

HTR-10除個(gè)別部件和材料須從國(guó)外進(jìn)口之外，其主要設(shè)備和部件國(guó)內(nèi)都可研制，有很高的國(guó)產(chǎn)化水平。主要包括：(1)反應(yīng)堆壓力容器國(guó)內(nèi)首次設(shè)計(jì)與制造成功; (2)蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)先進(jìn)、新穎首次研制成功; (3)堆內(nèi)構(gòu)件的設(shè)計(jì)、加工和安裝是國(guó)內(nèi)首創(chuàng);(4)氦氣主循環(huán)風(fēng)機(jī)國(guó)內(nèi)首次研制成功; (5)燃料元件裝卸系統(tǒng)設(shè)計(jì)有創(chuàng)新、技術(shù)有突破;(6)全數(shù)字化控制與保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新、研制成功;(7)氦氣工程實(shí)驗(yàn)突破了許多氦技術(shù)關(guān)鍵;(8)控制棒及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研制成功;(9)球形燃料元件生產(chǎn)的質(zhì)量已接近世界先進(jìn)水平。這些設(shè)備和部件經(jīng)過(guò)HTR-10一段時(shí)間運(yùn)行考驗(yàn)，為我國(guó)模塊式高溫氣冷堆示范工程提供實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的依據(jù)。

2.2.7HTR-10設(shè)計(jì)體現(xiàn)高溫氣冷堆示范工程的技術(shù)特點(diǎn)

HTR-10的設(shè)計(jì)在總體上要體現(xiàn)200MW球床模塊式高溫氣冷堆的主要技術(shù)特點(diǎn)，是一次全面的工程驗(yàn)證。主要技術(shù)特點(diǎn)包括：(1)堆芯余熱排除系統(tǒng)是一個(gè)自然循環(huán)的非能動(dòng)系統(tǒng)，有很高的可靠性; (2)反應(yīng)堆具有控制棒和吸收球兩套獨(dú)立的停堆系統(tǒng)，全部控制棒孔道和吸收球孔槽都位于側(cè)反射層石墨砌體內(nèi)，運(yùn)行可靠性高，即可實(shí)現(xiàn)快速停堆，又可使反應(yīng)堆維持在長(zhǎng)期冷停堆狀態(tài);(3)燃料裝卸系統(tǒng)采用了氣動(dòng)脈沖單列器的球形燃料元件裝卸機(jī)構(gòu);(4)采用蒸汽發(fā)生器與中間換熱器的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，考慮一、二期運(yùn)行更替時(shí)在結(jié)構(gòu)和工程設(shè)計(jì)上的銜接;(5)設(shè)有負(fù)壓通風(fēng)和事故通風(fēng)系統(tǒng)的一回路艙室具有“包容體”的功能，以防止放射性氣體向周圍環(huán)境釋放。不設(shè)置需承壓和氣密封要求很高的“安全殼”;(6)反應(yīng)堆采用數(shù)字化控制保護(hù)系統(tǒng); (7)二回路設(shè)計(jì)考慮蒸汽輪機(jī)循環(huán)、蒸汽輪機(jī)－氣體輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)分階段運(yùn)行的可能性。

2.2.8開(kāi)展高溫工藝熱的應(yīng)用研究

正在進(jìn)行的HTR-10第二期工程，將溫度提高到900～950℃進(jìn)行高溫工藝熱的應(yīng)用研究。利用中間熱交換進(jìn)行氣體透平或蒸汽透平聯(lián)合循環(huán)的試驗(yàn)，以便使高溫氣冷堆的發(fā)電效率提高到45%左右，以及進(jìn)行固體燃料氣化、液化的蒸汽重整試驗(yàn)和制氫開(kāi)發(fā)氫能源。這些研究將為高溫堆應(yīng)用開(kāi)辟一條新的途經(jīng)。核研院已開(kāi)始進(jìn)行氫能開(kāi)發(fā)的研究，這是高溫氣冷堆技術(shù)應(yīng)用的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)。

另外，HTR-10在建設(shè)管理模式、工程進(jìn)度控制、工程質(zhì)量保證、工程監(jiān)理、工程經(jīng)費(fèi)管理、工程調(diào)試等各個(gè)方面為200MW級(jí)高溫氣冷堆示范工程提供了保貴經(jīng)驗(yàn)。

3 200MW級(jí)高溫氣冷堆示范工程的建設(shè)

在10MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆建造成功之后，于2004年3月，由中國(guó)華能集團(tuán)公司、中國(guó)核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)公司和清華大學(xué)共同決定進(jìn)行高溫氣冷堆技術(shù)成果的產(chǎn)業(yè)化、工程化、商業(yè)化合作，首先建造一座電功率為200MW的高溫氣冷堆核電示范工程。2006年國(guó)務(wù)院在《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006～2020)中將高溫氣冷堆核電站列入重大專項(xiàng)。2006年12月至今，中國(guó)華能集團(tuán)公司、中國(guó)核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)公司、清華大學(xué)一直在山東石島灣推廣200MW級(jí)高溫氣冷堆核電示范工程。HTR-10的成功，它向人們展示了高溫氣冷堆巨大的安全特性和經(jīng)濟(jì)意義，它將為中國(guó)核能事業(yè)開(kāi)創(chuàng)一個(gè)嶄新的發(fā)展階段。

4 結(jié)論

10MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆不僅對(duì)高溫氣冷堆示范工程的建設(shè)提供了堅(jiān)實(shí)的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，示范工程建成后高溫氣冷堆將會(huì)在全國(guó)及發(fā)展中國(guó)家有更大的發(fā)展。在這一過(guò)程中，HTR-10仍起到關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)與示范的作用，它的歷史使命仍將繼續(xù)。

［1］劉俊杰，王敏稚，張征明，張振聲，何樹(shù)延.10MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆的堆體結(jié)構(gòu)特點(diǎn).核動(dòng)力工程，2001，22 (1)：53～56

［2］梁錫華，黃鵬，吳曉東，劉凌，牛道青，姚偉.HTR-10燃料元件裝卸系統(tǒng)冷態(tài)調(diào)試.核動(dòng)力工程，2002，23 (1)：54～56

［3］肖宏伶，肖文.HTR-10燃料元件裝卸系統(tǒng)的集散控制.核動(dòng)力工程，2002，23(1)：25～27

［4］孫栓，魏利強(qiáng)，王宇澄，王立雙，馮金梅，陳光建.HTR-10數(shù)字化控制系統(tǒng)人-機(jī)交互界面設(shè)計(jì).核動(dòng)力工程，2001，22(6)：505～507

Brie f Analysis on Effect of HTR-10 Reactor to High Tem perature Gas-cooled Reactor

ZHAO Mu，F(xiàn)ENG Jiuhe
(Chinergy.CO.，LTD.，Beijing 100084，China)

Through the project experiential introduction about HTR-10 high temperature gas-cooled reactor，the realistic significance about HTR-10 success to high temperature gas-cooled reactor demonstration project has been expatiated.

nuclear energy;high temperature gas-cooled reactor;demonstration project