趙 木，馮九河

(中核能源科技有限公司，北京 100084)

淺析10MW高溫氣冷實驗堆對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高溫氣冷實驗堆 (簡稱HTR-10)工程的實踐經(jīng)驗成果，論述了HTR-10的成功對于高溫氣冷堆示范工程的現(xiàn)實意義。

核能;高溫氣冷實驗堆;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，核能必將有一個大的發(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，是新一代的先進核反應(yīng)堆，將在我國未來的能源系統(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、制氫開發(fā)氫能源等方面發(fā)揮其獨特的作用。國外高溫氣冷堆的發(fā)展主要經(jīng)歷了早期氣冷堆 (Magnox)、改進型氣冷堆 (AGR)和高溫氣冷堆 (HTGR)。

我國高溫氣冷堆研究始于20世紀(jì)70年代，清華大學(xué)核研院對高溫氣冷堆某些關(guān)鍵技術(shù)進行過早期的探索。根據(jù)我國技術(shù)發(fā)展水平和經(jīng)濟條件，1992年國務(wù)院批準(zhǔn)，在2000年前建造一座熱功率10MW的高溫氣冷實驗堆，以掌握高溫氣冷堆的設(shè)計、建造和運行技術(shù)，作為我國發(fā)展高溫氣冷堆戰(zhàn)略的第一步。1993年7月12日國家科委、國家教委簽訂“863”計劃高溫氣冷實驗堆委托建設(shè)和運行管理合同。1994年12月26日國家核安全局完成對HTR-10“初步安全分析報告”的審評，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日國家核安全局完成HTR-10“最終安全分析報告”的審評，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)堆開始進行低功率(5%額定功率以下)調(diào)試運行，并做了大量相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備的熱態(tài)功能試驗驗證。自2002年11月開始，連續(xù)進行30%、50%、75%、100%額定功率下的各項試驗。2003年1月29日19∶30分完成72h的滿功率調(diào)試運行和驗證試驗。2003年期間，經(jīng)國家核安全局審查批準(zhǔn)，在該堆上成功的進行了3項驗證固有安全性的試驗，受到國內(nèi)外核能界極大的關(guān)注和高度評價。2004年度全年累計運行150d，功率運行3070h。運行中進行了散熱、供熱、發(fā)電和熱電聯(lián)供等不同運行模式和工況下的連續(xù)運行試驗，取得了大量運行實驗數(shù)據(jù)和寶貴的運行經(jīng)驗。

實踐證明，我國自主設(shè)計、建造和運行的10MW高溫氣冷實驗堆是成功的，它是目前世界上第一座建造運行成功的模塊式球床高溫氣冷堆，獲得了2006年國家科技進步一等獎。經(jīng)過兩年時間，完成了包括環(huán)境影響在內(nèi)的100項安全相關(guān)系統(tǒng)方面的實驗。其關(guān)鍵設(shè)備都由我國自主設(shè)計、制造和建設(shè)。它的并網(wǎng)發(fā)電成功，為我國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踐經(jīng)驗

2.1 HTR-10設(shè)計基礎(chǔ)

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

(2)滿足“863”計劃所規(guī)定的進行多項目的試驗要求，即a.掌握高溫氣冷堆的設(shè)計、建造與運行技術(shù);b.驗證模塊式高溫氣冷堆的固有安全性;c.進行高溫氣冷堆燃料元件和材料的輻照試驗;d.進行發(fā)電和區(qū)域供熱實驗;e.開展高溫工藝熱的應(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)生蒸汽進行發(fā)電和區(qū)域供熱試驗;第二階段將堆芯氦氣的出口溫度提高到900℃，進行氣體汽輪機循環(huán)發(fā)電試驗或高溫工藝熱的試驗研究。

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

2.2 HTR-10建設(shè)經(jīng)驗為示范工程提供堅實基礎(chǔ)

HTR-10從工程設(shè)計、設(shè)備制造、工程實驗、設(shè)備安裝和調(diào)試運行等方面都有很多技術(shù)關(guān)鍵問題要解決。多年來清華大學(xué)核研院與國內(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，其中有些是國內(nèi)首創(chuàng)或達(dá)到了國際領(lǐng)先或先進水平。目前，HTR-10已成為我國高溫氣冷堆技術(shù)發(fā)展的研究基地，為我國高溫氣冷堆的設(shè)計、制造、建造、運行等提供了大量技術(shù)和實踐數(shù)據(jù)。

2.2.1掌握高溫氣冷堆在設(shè)計、建造和運行方面的技術(shù)

我國雖經(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展。但在高溫氣冷堆工程設(shè)計、建造、運行尚無實踐經(jīng)驗。而通過HTR-10的建設(shè)，將使我國全面掌握這三個方面的技術(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。

HTR-10工程建設(shè)主要成果為：(1)證實HTR-10基本性能和主要運行參數(shù)已達(dá)到設(shè)計目標(biāo);(2)驗證了包覆顆粒球形燃料元件的研制技術(shù);(3)驗證了氦技術(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)驗證了創(chuàng)造性的自主開發(fā)的全數(shù)字化的儀控和保護系統(tǒng)功能［4］; (6)驗證了所采用的各種計算、管理程序和質(zhì)保體系都是可行、有效的。

2.2.2提供一個燃料元件和材料的輻照實驗基地

在HTR-10的石墨反射層中設(shè)計預(yù)留了用于進行石墨、金屬材料和燃料元件輻照實驗的孔道，這為今后國產(chǎn)材料和元件的輻照實驗提供了裝置并使這些材料和元件實際應(yīng)用有了可靠的技術(shù)保證。特別是在HTR-10的設(shè)計中還應(yīng)考慮大量燃料元件在16000C工況下的運行實驗，這是國際上尚未進行過的實驗研究，它將為高溫氣冷堆的安全性提供進一步驗證依據(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進行發(fā)電和區(qū)域供熱試驗

在HTR-10第一期工程中要考慮各種運行模式，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，并為稠油開采和石化工業(yè)要求的熱電聯(lián)供提供實際的運行經(jīng)驗，為示范工程及未來的群堆建設(shè)提供了應(yīng)用基礎(chǔ)。

2.2.4驗證模塊式高溫氣冷堆的固有安全性

國內(nèi)外的設(shè)計和計算表明，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)該通過反應(yīng)堆的試驗予以充分證明，這些特性包括停風(fēng)機后自動停堆、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、建造滿足這些試驗的要求和條件，安全特性試驗證明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)計提供了保證。

2.2.5HTR-10實驗堆為示范工程培養(yǎng)人才

HTR-10從設(shè)計、建造到運行的全過程是一所培養(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踐的基地。事實證明，高溫氣冷堆示范工程的設(shè)計就是以這批人才為根本。HTR-10和這批人才，對我國高溫氣冷堆示范的建設(shè)具有很大的現(xiàn)實意義。

2.2.6HTR-10關(guān)鍵設(shè)備的突破與科技成果

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

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

HTR-10的設(shè)計在總體上要體現(xiàn)200MW球床模塊式高溫氣冷堆的主要技術(shù)特點，是一次全面的工程驗證。主要技術(shù)特點包括：(1)堆芯余熱排除系統(tǒng)是一個自然循環(huán)的非能動系統(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)，運行可靠性高，即可實現(xiàn)快速停堆，又可使反應(yīng)堆維持在長期冷停堆狀態(tài);(3)燃料裝卸系統(tǒng)采用了氣動脈沖單列器的球形燃料元件裝卸機構(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，考慮一、二期運行更替時在結(jié)構(gòu)和工程設(shè)計上的銜接;(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)字化控制保護系統(tǒng); (7)二回路設(shè)計考慮蒸汽輪機循環(huán)、蒸汽輪機－氣體輪機聯(lián)合循環(huán)分階段運行的可能性。

2.2.8開展高溫工藝熱的應(yīng)用研究

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

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

3 200MW級高溫氣冷堆示范工程的建設(shè)

在10MW高溫氣冷實驗堆建造成功之后，于2004年3月，由中國華能集團公司、中國核工業(yè)建設(shè)集團公司和清華大學(xué)共同決定進行高溫氣冷堆技術(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年國務(wù)院在《國家中長期科學(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。2006年12月至今，中國華能集團公司、中國核工業(yè)建設(shè)集團公司、清華大學(xué)一直在山東石島灣推廣200MW級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)濟意義，它將為中國核能事業(yè)開創(chuàng)一個嶄新的發(fā)展階段。

4 結(jié)論

10MW高溫氣冷實驗堆不僅對高溫氣冷堆示范工程的建設(shè)提供了堅實的現(xiàn)實基礎(chǔ)，示范工程建成后高溫氣冷堆將會在全國及發(fā)展中國家有更大的發(fā)展。在這一過程中，HTR-10仍起到關(guān)鍵的實驗與示范的作用，它的歷史使命仍將繼續(xù)。

［1］劉俊杰，王敏稚，張征明，張振聲，何樹延.10MW高溫氣冷實驗堆的堆體結(jié)構(gòu)特點.核動力工程，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.核動力工程，2002，23(1)：25～27

［4］孫栓，魏利強，王宇澄，王立雙，馮金梅，陳光建.HTR-10數(shù)字化控制系統(tǒng)人-機交互界面設(shè)計.核動力工程，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