动力工程学院核能工程系
5. 高温气冷堆－模块式 客观要求：美国三里岛事故发生后，人们设法实 现核反应堆的“绝对安全”。希望在任何事故情况下 都不会发生大的核泄漏，不会危及公众与周围环境的 安全，也就是人们常说的实现反应堆的固有安全性。 概念提出：模块式高温气冷堆就是在这样的背景 下发展起来的一种新堆型。1981年德国电站联盟 (KWU)首先提出球床模块式高核能工程系
高温堆用途
模块式高温堆建造周期2—3年，建造成本和电 价：1300美元/千瓦，3.3美分/度。 出口950℃，发电效率高，蒸汽循环40%左右， 氦气循环48%左右。 高温堆安全、经济好，用途广泛： 开采稠油和炼制石油； 生产各类化工产品； 煤气化、液化； 制氢、甲醇等等。
动力工程学院核能工程系
高温堆为何能获得高温？
① 采用“全陶瓷”型涂敷颗粒燃料，不用金属包 壳，能承受很高的温度，在1600℃下仍能保持燃 料颗粒的完整性； ② 采用耐高温的石墨（可承受3000℃高温）作为堆 芯结构材料； ③ 使用化学惰性的氦气作为冷却剂，它与其它材 料有很好的高温相容性。
由于这些原因，可以使高温气冷堆的冷却剂出口 温度达到950℃，是迄今各类反应堆中工作温度最高 的堆型。
第六章
高温气冷堆
主讲教师 田
鑫
主要内容
1 2 3 高温气冷堆特点 高温气冷堆结构 高温气冷堆慢化剂和冷却剂

动力工程学院核能工程系
第四代先进核能系统－六个入选堆型：
超高温气冷堆 气冷快堆 钠冷快堆 超临界水堆 铅/铋冷快堆 熔盐堆


动力工程学院核能工程系
燃料元件结构特点
涂敷颗粒太小，无法直接 使用，只有将涂敷颗粒分 散在石墨基体中压制成燃 料密实体，再将密实体装 入有石墨包壳组成不同形 状的燃料元件使用。 • 球形元件 • 柱形元件

动力工程学院核能工程系
烟囱 空冷器 水箱
腔室混凝土
堆芯
表面冷却系统

动力工程学院核能工程系
高温堆基本特点 氦气作冷却剂 石墨作慢化材料 球形燃料元件 全陶瓷堆芯结构 连续装卸燃料 非能动余热排出 无应急冷却系统 模块化建造

动力工程学院核能工程系

动力工程学院核能工程系
3. 高温气冷堆－实验堆 英国1960年建造20MW试验堆“龙堆”(Dragon)。 美国1967年建成40MWe桃花谷(Peach Bottom)实验堆。 德国1967年建成15MWe的球床高温气冷堆(AVR)， 并发展了具有自己特色的球形燃料元件和球床高温堆。 这三座实验堆的成功运行，证明了高温气冷堆在技 术上是可行的。

动力工程学院核能工程系
慢化剂 高温气冷堆采用石墨作为慢化剂和主要 的结构材料主要原因： 1. 热中子吸收截面小； 2. 高温下有较好的机械性能和稳定性； 3. 抗热震性能好。

动力工程学院核能工程系
冷却剂系统
两个循环回路：二次侧微放射性 冷却剂选择氦气的原因： 1. 化学惰性 2. 核物理性能 3. 容易净化 4. 传热性能和载热性能好 缺点：密封系统
1. 第一代气冷堆－Magnox型气冷堆 石墨为慢化剂，CO2气体为冷却剂，金属天然铀为 燃料，镁诺克斯(Magnox）合金为燃料棒的包壳材料。 1956年英国建成50 MW气冷堆电站，商用化。 70年代初期，在英、法、意、日和西班牙等国建造 36座，总装机容量达到8.2 GW（电）。

动力工程学院核能工程系

动力工程学院核能工程系
高温堆固有安全性 负温度系数大；在任何 情况下能自动停堆。 功率密度低（5-10 kW/L),热容量大，热稳 定性高。但堆芯相对大。 失冷时，余热可靠导热、 辐射及自然对流排出。 元件低于1600⁰C的限值。 在任何运行和事故情况 下不会发生严重事故。
动力工程学院核能工程系
基本概念
高温气冷堆（HTGR）
采用涂敷颗粒燃料，以石墨作慢化剂和堆芯结构 材料，以氦气作冷却剂的先进热中子反应堆。
高温气冷堆的特点
1、高温高效，提供高温核热的多用途核能源； 2、公认的固有安全性堆型，对环境污染小，可建在 人口密集区； 3、可获得较高的核燃料转换比。


动力工程学院核能工程系
柱形元件
棱柱块 上开有燃 料孔和冷 却剂孔， 控制棒 孔，控制 毒物孔， 装卸孔。

动力工程学院核能工程系
高温气冷堆堆芯结构特点
按照石墨燃料元件的结构形式分为： 球床堆 棱柱堆 堆芯一般为圆柱形，四周为石墨反射层， 反射层外为金属热屏，整个堆芯装在预应力混 凝土压力壳内。

动力工程学院核能工程系
4.高温气冷堆－原型堆 美国1968年建造330 MWe圣•符伦堡（Fort Stvrain） 电站，1976年并网。 德国1971年 建造300 MWe钍高温球床堆THTR300，1985年并网运行。 高温气冷堆在设计、燃料和材料的发展、建造和 运行方面都积累了成功的经验，开始进入发电和工业 应用的商用化阶段。

动力工程学院核能工程系
HTGR主要关键技术
1. 高燃耗的颗粒核燃料元件的制造和辐射考 验； 2. 高温高压氦气回路设备的工艺技术问题。

动力工程学院核能工程系
全陶瓷堆芯结构
堆芯石墨结构
数字化控制室


动力工程学院核能工程系
高温气冷堆－关键技术的突破
• 氦气－冷却剂 • 全陶瓷型的热解炭涂敷颗粒作燃料（技术突破）
1960 / UK HUDDLE PATENT: TRISO COATED PARTICLE 动力工程学院核能工程系

高温气冷堆简介 高温气冷堆根据其燃料元件形状和结 构的不同而分为两类：
球床高温气冷堆 柱状高温气冷堆
共同点
均采用涂敷颗粒燃料

动力工程学院核能工程系
涂敷颗粒燃料：燃料核心＋涂敷层
1. BISO颗粒 燃料核心 ＋ 两种涂敷层 2. TRISO颗粒 燃料核心 ＋ 三种涂敷层 优点：不易破损、耐高温
动力工程学院核能工程系
2. 第二代气冷堆－改进型AGR 包壳：镁铍合金，不锈钢 燃料：天然铀，2%UO2 CO2温度 400-670℃。 1963年英国建造32MWe原型堆， 1976-1988年，运行的AGR共有14座，8.9GW。 尽管AGR在性能上比Magnox堆有了很大改进，但 由于受到CO2与不锈钢元件包壳材料化学相容性的限 制(690 ℃ )，使出口温度难以进一步提高，再加上功率 密度低、燃耗低的限制，使其仍难以和压水堆在经济 上竞争 。

• • • •
动力工程学院核能工程系
高温气冷堆－设计概念的提出
1944 / USA
Daniels‘
SECRET REPORT
on an
HTR PEBBLE PILE

动力工程学院核能工程系
高温气冷堆发展历史 气冷堆是反应堆发展史上最早的堆型