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    清華大學核能與新能源技術設計研究院田嘉夫教授項目團隊利用我國高溫氣冷堆已有的燃料球做成規則球床模塊堆，配合成熟的燃氣蒸汽聯合循環，使雙燃料運行的熱效率達到60%，在滿足1000MWe發電要求時，僅用兩座2×417MWt小堆，不僅安全性好，技術設備成熟度高，總投資也會低于全核電投資的50%，能夠滿足多國電網基荷和調峰的需要。

設計規則床模塊式高溫氣冷堆技術

助力我國核電站和核動力技術創新

項目完成單位 ：清華大學核能與新能源技術設計研究院

項目完成人 ：田嘉夫

    核電是一項較新的工程技術，高溫氣冷堆是第四代核電技術路線之一，其出口溫度高、熱效率高和固有安全的特點為核能的和平利用開辟了新的道路。高溫氣冷堆在幾十年研究中，一直存在兩種堆型，即柱狀燃料堆和球形燃料堆，兩種堆型各自存在本身特有的問題。

    柱狀燃料堆由于燃料塊體積大，加工制造和輻照考驗困難，在堆內的輻照變形出現間隙和振動問題也難以解決，目前還處于建造大型實驗堆的前期。不過它的模塊化設計性能，如單堆功率、輸出溫度和熱電轉換效率都好于球形燃料堆。

    球形燃料堆近來的研究，發現了一些不容忽視的影響安全運行的問題。例如，在過去德國球床實驗堆 AVR上，曾發現吸附裂變產物的石墨粉塵達 50 ～ 60,kg 之多。如果當時發生氦氣泄漏事故，很可能造成放射性外泄，甚至發生高溫石墨粉遇到空氣爆燃或火災等事故。大量石墨粉不僅使反應堆退役遇到困難，而且現有安全殼設計也不能滿足安全要求。主要原因是運行過程中，所有燃料球都在不停的旋轉和移動，因此產生大量石墨粉。

    另外，高溫下燃料球移動規律不可能在常溫實驗條件下獲得，高溫摩擦阻力變大，移動特性不十分清楚，很可能在某些邊角處有結晶化傾向，造成移動速度過慢，引發燃耗超限，產生不應有的放射性釋放。燃料球移動又導致軸向功率分布嚴重不均，使平均功率降低一倍以上。

    我國的高溫氣冷堆技術選擇了球床高溫氣冷堆的方向，清華大學田嘉夫教授從 20 世紀 60 年代開始致力于先進核反應堆開發研究工作，在高溫氣冷堆技術中提出了規則球床的研究方向，在實驗研究上取得了豐碩的創新成果。

    1 創新成果

    1.1 高溫氣冷堆的改進——規則床模塊式高溫氣冷堆

    挑戰面前存在機遇。田嘉夫教授團隊利用兩種實驗堆經驗，去劣存優創新了一種基于兩類堆型而高于兩類堆型的高溫氣冷堆成熟技術，即規則床模塊式高溫氣冷堆。規則床模塊高溫氣冷堆將燃料球在堆芯的隨機堆積轉變成有序排列的一種設計。規則堆積可在一定幾何形狀的堆芯空腔內，由隨機落入的燃料球自動排列，形成一種結晶狀的密實體。這種改進能全面提升反應堆性能和參數，排除球形燃料堆設計中的不確定因素，簡化堆體結構和運行方式，使燃料裝卸運輸和貯存發生重大變化。特別是它能建立一種燃料元件在大小堆循環利用的方法，使小堆燃料成本大大降低，開辟出中小反應堆廣闊的應用前景。

    規則床模塊式高溫氣冷堆的燃料是球形元件，堆積到堆芯就形成“結晶式”的固定結構，不僅有規則的堆芯外形和更高的堆積密度，而且有徑向和軸向的功率展平，實現定期換料。運行中燃料球沒有移動，就排除了球床堆的問題，同樣也沒有柱狀堆的問題。它的設計性能，如單堆功率、輸出溫度和熱電轉換效率都接近和高于柱狀燃料堆，設計后的斷面圖形很像柱狀堆（見圖 1）。如果采用高溫氣冷堆較小的壓力殼，以及配套的風機等設備，堆芯直徑 3,m，堆芯高 8,m，在現有安全限值下，熱功率就可以達到400,MWt。規則球床堆芯體積變小了，功率變高了。

    1.2 高溫氣冷堆與燃氣蒸汽聯合循環結合

    大容量高效率的燃氣輪機及其聯合循環是世界電力工業發展的一個趨勢，它既能節省日趨緊張的能源資源，又有利于保護環境。燃氣輪機的優點是效率高、排污指標低、建設周期短、占地和用水量少、啟動靈活、自動化程度高等。簡單循環燃氣輪機的功率已超過 280,MW，凈效率達到 40% ；聯合循環的單機功率超過 390,MW，凈效率達到 60%，而較先進的超超臨界燃煤機組的熱效率僅僅為 45% 左右。因此，隨著天然氣資源的廣泛開發和應用，燃氣輪機及其聯合循環機組已成為世界上電力工業的主力機型，我國已經成功開發出大型燃氣輪機（見圖 2）。

    我國主要因為天然氣資源條件和燃料價格偏高的限制，發展受到制約。過去一直把燃氣輪機定位為備用電源或調峰機組。近來隨著國家西氣東輸、東海油氣和進口液化天然氣等項目的進展，已經準備快速提升天然氣工業的開發速度。但是，面對數量龐大的燃煤機組的替換任務，燃氣蒸汽聯合循環發電的高成本也是難于逾越的障礙。

    規則床模塊式高溫氣冷堆是在柱狀實驗堆和球床實驗堆多年實驗運行的基礎上，排除各自在實驗中發現的問題而設計出的新堆型，是設計成熟的高溫堆。高溫氣冷堆的熱電轉換以前有兩種方式，一種是將冷卻堆芯的氦氣，直接進入氦氣輪機發電。另一種是高溫氦氣經過熱交換，與高參數蒸汽輪機配合，能達到 42% 以上的熱電轉換效率，但存在高壓蒸汽漏入堆芯引發嚴重核事故的可能性。

    田嘉夫教授團隊提出的能量轉換方式是高溫氣冷堆與燃氣蒸汽聯合循環機組配合，技術成熟而且具有一系列優異性能。天然氣燃氣蒸汽聯合循環是國際上商用成熟技術，已經具有一定規模的使用經驗。在核能與聯合循環的工藝流程中，空氣被壓縮以后首先由核能加熱，即通過氦氣與壓縮空氣熱交換，被加熱至 800℃（以后可能提高至 950℃）后，再進入天然氣燃燒室及燃氣蒸汽聯合循環系統（見封底圖）。聯合循環的流量和壓比等設計參數需要考慮與核能聯合的新特點，其中壓縮機最好有中間冷卻，獲得壓比高和溫度低的參數，將更有利于核能的應用。

    1.3 雙燃料清潔能源大型發電站

    將高溫氣冷堆與燃氣蒸汽聯合循環機組配合，稱為雙燃料清潔能源大型發電站。雙燃料清潔能源大型發電站具有鮮明的特性。可以在初步預測的參數下，分析新聯合系統的技術性能和應用特點。假如空氣壓縮后，溫度為 220℃，氦氣回路在換熱器的入出口溫度為 850℃和250℃，高溫氣冷堆的熱功率為 400,MW，壓縮空氣被加熱到 800℃，假如加入天然氣的燃燒功率為 400,MW，燃氣輪機初溫可以達到 1,380℃，燃氣蒸汽聯合循環的熱電效率能夠達到 60%。這種核能燃氣蒸汽聯合循環可以有 3 種運行和應用方式。

    （1）核能小堆基本負荷運行。核能燃氣蒸汽聯合循環的基礎是高溫氣冷堆配合空氣布雷頓循環，是一個典型的小堆設計，不加入其他燃料時只消耗核燃料，球的循環利用可以達到深燃耗，適合供應基本負荷。燃氣蒸汽聯合循環的許多優點也都能顯現出來，特別是它需要的冷卻水量少，廠址選擇更容易，能夠在不靠近海洋和大河流的內陸地區建設。

    （2）雙燃料滿功率運行。在具有天然氣源的地區，以上述小堆為基礎，在燃燒室加入天然氣，以雙燃料方式運行。這相當于同時建造了大型核電站和大型燃氣電站，與 1,000,MWe 級的核電站相比，大大提高了安全性，已成為第 4 代小型核電的安全水平。大大降低投資，具有 1,000,MWe 發電能力，其中核電僅為 334,MWe（兩座小堆），估計其總投資僅為大型核電的 50%。在核電成本中，投資影響占 60% ～ 70% 的主要成分，總投資的降低使核電成本下降。在燃料費中，核燃料利用從來沒有如此高的 60% 發電效率，在經濟上獨占優勢。從天然氣利用的角度來看，與單獨燃氣電站相比，同樣達到 60%效率，決定電價的天然氣燃料費幾乎降低至 50%。總之，這種雙燃料系統是利用了高投資低燃料費的核能與低投資高燃料費和高效率的燃氣蒸汽聯合循環相結合，產生的新型發電系統具有明顯的經濟競爭力。

    （3）雙燃料調峰運行。由于系統內壓縮空氣被核熱源加熱到 800℃以上，加入的天然氣可以是任何比例，能在極短時間內將功率提升到所需要的水平，這種特性正是電網調峰所需要的。因此，核能燃氣蒸汽聯合循環以核能供應基本負荷，以天然氣供應尖峰負荷，成為既能帶基荷又能調峰的機組，電網對此有廣泛需求。特別是將核能、天然氣配合風能，以組合形式建設。以核能和風能滿足基本電力需要，當風力不足時，由少量天然氣補充，這樣可以避免“棄風”，更有效地發揮風力可再生能源效益，獲得清潔能源綜合性的良好的環境效益和經濟效益。

    雙燃料新型發電站適合國情，可以充分發揮清潔能源的優勢，有利于解決燃煤電站效率低、污染大的問題，轉變電力能源結構，支持國民經濟可持續發展。

    2 擴展應用前景

    核能用于商船推進動力的研究已經進行了幾十年，除了在破冰船上有些應用外，試驗性的核動力商船還沒有取得商業運營的成功。其中主要原因是壓水堆型造成的，因為船用堆遠遠小于商用發電壓水堆的經濟規模，而且在船上的壓水堆燃料更換極其困難，只好延長換料期，導致燃料成本高而燃料利用率低。因此現有的船舶核動力僅能用于有限的軍事目的，還不能實現商業化應用。

    模塊式高溫氣冷堆具有固有安全性，排除了發生嚴重事故的可能，簡化了反應堆系統，有合適的中小功率規模，高溫高效率，以及能夠直接與燃氣輪機耦合等特性，正是先進船舶推進動力所需要的。規則床堆芯有球形燃料堆積體結構，自動排除堆芯輻照間隙，耐振動抗沖擊，具有船舶應用需要的安全性、穩定性和抗震性。特別是它的動力系統，包括壓力容器及能量轉換容器，有可能水平布置，以及船用小堆可能大幅度降低燃料成本等重要特性，展現出商用船舶核動力可行的應用前景（見圖 3）。

    另外，有輿論認為 ：中國在高溫氣冷核反應推的小型化等技術上取得的重大進展，已有潛力為艦艇甚至飛機開發以這種核反應堆為核心的新型動力系統。憑借這種尖端技術，中國可能先于其他國家打造出移動核動力裝置（見封底圖）。

封底圖

    3 結 語

    具有第四代安全經濟特性的核電應該是人們期待的先進的清潔低碳能源。高溫氣冷堆是當今研發的第四代核電堆型之一，過去的設計還存在需要排除的嚴重的安全隱患。堆芯不熔化，不等于說不會有嚴重事故發生。需要吸取國外球床高溫堆和柱狀高溫堆兩種實驗堆型運行的經驗教訓、擴展安全觀念和應對安全低概率事件，確保反應堆不出現后果極其嚴重的放射性釋放事故。當熱電轉換系統采用與燃氣蒸汽聯合循環耦合應用的技術以后，會發揮高溫堆所長，更大地提升轉換效率，形成一種高安全低投資和高效率的雙燃料清潔能源，可用于大堆或小堆的應用環境，可滿足電力系統基本負荷和調鋒負荷的需要。在工程設計上采取一系列改進和創新措施，包括采用規則床模塊化及地下反應堆設計以后，可在提高反應堆核心部位安全防衛能力的同時，防范低概率事件，成為一種新的安全經濟高效的先進能源。