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高温气冷堆在核电工业中的地位 王捷 清华大学棱舱技术设计研究院。北京．100084 摘要，高温气冷堆采用全陶瓷型包覆颗粒燃料元件，以石墨为慢化剂和堆芯结构材料， 以氨气为冷却嗣。高温气冷堆主要特点是具有固有安全性，高度模块化和高发电效率。本 文从能源供应和环境保护的角度论证了核能工业的重要性；通过几种先进堆型的对比，阐 明了高温气冷堆的技术优势；最后对高温堆氨气透平循环进行了分析，其结果发电效率达 47．9％。本文认为高温气冷堆很有潜力成为第四代核能系统的堆型之一。 关蝴高温气冷堆氮气透平直接循环第四代核能系统 就世界范围而言，当前发电、取暖、交通和工业生产所消耗能源的85％来自煤炭、石 油、天然气等化石燃料，也就是说。全世界的能源消耗主要依赖于化石燃料‘“。化石燃料 通过燃烧产生能量，因此给环境带来了很大的压力。例如，S02会形成酸雨，NO。会形成烟 雾，燃烧颗粒会损害人们的呼吸系统，特别是co。会引起地球的温室效应。1997年12月各 国首脑集中于日本京都讨论环境保护问题，会上达成了各国限制过量使用化石燃料减少cO， 。 排放量的共识。 随着经济的发展和人们生活水平的提高，能源消耗的需求量越来越大．对于我国来说， 预计到2050年能源的消耗量为35．6～41．2亿吨标煤。而供应量预计为32．4亿吨标煤，缺 口达3．2～8．8亿吨标煤，形势十分严峻[2]。如何满足能源消耗不断增长的需求又不增加 环境压力，原则上应该在两个方面同时努力，一是加强节能措施。二是开发清洁能源(化石 燃料替代品)。说到清洁能源人们自然会想到太阳能、风能、水力发电等，但是根据现有的 经验这些能源形式受诸多自然条件的限制，不可能在能源供应中担当主角【1]。 核能是一种清洁、无空气污染的能源，而且是一项成熟的技术，可以大规模替代化石 燃料。从我国的能源供求情况来看，核能在2L世纪中将在我国能源体系中发挥重要作用。 到2050年核电规模应大于1．2～1．8亿千瓦[2】，为解决我国未来能源供应短缺，改善能源 结构。减轻环境污染作出贡献。 2高温气冷堆 2．1 高温气冷堆主要特征 高温气冷堆(HTGR)是原子能反应堆中的一种堆型，是在早期气冷堆，改进型气冷堆基 础上发展起来的先进堆型。高温气冷堆的燃料元件是弥散在石墨球基体中的全陶瓷型包覆 颗粒(图1)，这种燃料元件的特征是将所有裂变产物完全阻挡在完整包覆颗粒的SiC层内， 图1高温气冷堆球形燃料元件 从而极大地提高了反应堆的安全性[3】．中子慢化材料，反射层材料，燃料元件结构材料和 堆芯结构材料均采用石墨。冷却剂则是化学隋性气体氨气．由于堆芯为耐高温的全陶瓷型 结构，堆芯出口温度可达950C甚至更高。 2．2发展历史和前景展望 高温气冷堆的研究和发展走过了将近50年的历程。上世纪60年代美国的桃花谷反应 堆和德国的AVR反应堆的建成并运行可以视为第一个里程碑，这两个原型堆的目的都是为 了研究和展示高温堆技术的可行性．其结果都获得了成功。尤其是德国的AVR正常运行20 多年无事故，一直被高温堆行业作为经典范例来引用。在此基础上，美国于1979年建造了 k佣te 355姗e的圣·符伦堡反应堆，德国于1985年建造了300 THTR--300反应堆，用来探 索和展示高温气冷堆商用发电的可行性，被人们视为第二个里程碑。虽然这两个反应堆在 技术上获得了很多保贵的经验，但是在商用发电探索方面没有达到预期的目标[“。 冷堆的概念，受到了核能界的广泛的重视。其基本思想是将以往的高温堆规模小型化，以 保证在任何事故情况下堆芯的热量可以通过自然对流、导热以及热辐射传给外界，使燃料 温度保证在安全值1600C以下，也就是说模块式高温堆具有固有安全性【5]。 人们很早就认识到要充分发挥高温堆的高温潜力，提高发电效率，高温气冷堆氮气透 平直接循环发电方案是一个理想的选择。进入90年代，随着模块堆理论的成熟和大型燃气 轮机技术的发展，使两者之间以一堆一机的形式相结合成为一种可能。许多国家都投入相 当的人力物力并广泛