超高温气冷堆（VHTR）调研报告目录0．引言 (3)1．发展历史 (3)1.1 高温气冷堆—实验堆 (3)1.2 高温气冷堆—原型堆 (3)1.3 高温气冷堆-模块式 (4)2．目前各个国家的发展状况 (4)3．VHTR反应堆结构 (5)4．VHTR堆型的优缺点 (8)5．VHTR发展趋势 (9)5.1 前景展望 (9)5.2 VHTR需要填补的技术缺口 (10)6．总结 (11)参考文献 (12)0．引言未来十几年，全世界都需要能源和优化能源基础建设来满足日益增长的电力和运输用燃料的需要。

第四代国际核能论坛（GIF）确定的6种核能系统概念具有满足良好的经济性、安全性、可持续性、防核扩散和防恐怖袭击等目标的绝对优势。

在第四代核能系统概念中，超高温气冷反应堆VHTR（Very High Temperature Reactor）作为高温气冷反应堆渐进式开发过程中下一阶段的重点对象，第四代国际核能论坛(GIF)已将VHTR列入研发计划。

VHTR将反应堆出口温度比HTGR提高100℃，达到1000℃或以上，对所用燃料和材料提出了更高要求，实现制氢的工艺设计也需要研发创新。

目前，多个国家和组织投入力量，正给予重点研发。

我国也将高温气玲堆电站列入中长期科学和技术发展重大专项规划，希望近期取得重大技术突破。

1．发展历史VHTR（Very High Temperature Reactor）是高温气冷反应堆渐进式开发过程中下一阶段的重点对象，而高温气冷堆的发展主要经历了以下阶段[1]。

1.1 高温气冷堆—实验堆英国1960年建造20MW实验堆“龙堆”（Dragon）。

美国1967年建成40MW的桃花谷（Peach Bottom）实验堆。

德国1967年建成15MW的球床高温气冷堆（A VR），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。

1.2 高温气冷堆—原型堆美国1968年建造330MW圣·符伦堡（Fort Stvrain）电站，1976年并网发电。

德国1971年建造300MW钍高温球床堆THTR-300,1985年并网发电。

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，开始进入发电应用的商用化阶段。

1.3 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温气冷堆的概念。

2．目前各个国家的发展状况高温气冷堆电站，经过长时期的研发，在结构、材料以及反应堆、气透平发电机组的技术性能及核能工艺热应用方面，都有了突破性进展。

革新型高温气冷堆电站，实现了反应堆固有安全特性的设计创新，确保了三大安全功能的完整性：即反应性控制、堆芯热量排出、放射性物质包容。

目前，VHTR的基础技术已在以前的HTGR核电站(如Dragon、桃花谷、A VR、THTR 和圣弗伦堡核电站等)建设和运行中已得到了充分的开发和验证，并且是GT-MHR和PBMR 等概念设计的更进一步发展[2]。

革新型高温气冷堆(HTGR)电站，设计比较成熟的是美、法、日、俄联合设计的燃气轮机模块式氦冷反应堆（GT-MHR），目前正在研制，准备用于俄罗斯的钚处置，亦作为较小型的动力堆。

由南非电力公司借鉴德国技术设计研发的球床模块式反应堆(PBMR)，已分别进入示范电站的建设阶段。

日本原子能研究所(Jaeri)已经建成30MWth级高温工程试验堆(HTTR)，研究的主要目标是，验证连接工艺系统供热的反应堆堆芯出口温度达到950的可行性。

欧盟也在积极研发高温气冷堆电站，组织了欧洲工业界和科研机构的近20多家单位在EURA TOM框架内开展了下一代高温气冷堆HTR/VHTR的研究项目，作为世界著名核供应商的阿海珐(AREV A)集团也正在以往参与GT-MHR设计中获得的经验的基础上开发甚高温反应堆VHTR。

我国清华大学借鉴德国技术设计研发的球床模块式高温实验堆HTR-10，其研究目的是验证其在10MWth功率水平下实现热电联产的可行性，目前已进入示范堆的建设阶段[1]。

目前的高温堆技术出口温度可以达到950℃，发展成1000℃的超高温气冷堆技术的难度并不是很大。

3．VHTR反应堆结构超高温气冷堆(VHTR)是高温气冷堆(HTGR)的进一步发展，是HTGR渐进式开发过程中下一阶段的重点对象。

VHTR的设计依赖于高温气冷堆(HTGR)的设计，因此HTGR的堆芯设计对VHTR有很大的参考价值。

VHTR以1000℃的堆芯出口温度供热，这种热能可用于制氢或为石化和其它工业提供工艺热。

参考堆的热功率为600MWt，堆芯通过与其相连的一个中间热交换器释放工艺热，反应堆芯可以是像正在日本运行的HTTR那样的棱柱形块堆芯，或者是象正在我国运行的高温气冷堆HTR—10那样的球床堆芯。

VHTR参考堆的主要参数见表1[3]，表1 VHTR主要参数VHTR根据其燃料元件形状和结构的不同可分为两类：球床高温气冷堆和柱状高温气冷堆。

它们的共同点是均采用涂覆颗粒燃料。

图1 球状燃料元件图2 柱形燃料元件图3 涂覆颗粒燃料图4 柱状VHTR反应堆设计VHTR设计主要设计特点体现在：冷却剂氦为单相、不冷凝、惰性，不受反应性影响。

氦冷却剂决定了泄漏率必须低。

石墨堆芯热容量高，减缓热响应和在超高温条件下结构稳定，功率密度约是轻水的1/10。

所使用的难熔涂覆燃料在比正常运行温度高得多的温度条件和假想事故工况下能滞留裂变产物。

环型、低功率密度堆芯放置在自然循环RCCS围绕的反应堆容器内。

有限的反应堆总功率需通过传导和辐射就具备了最终热阱的能力，同时不会损伤燃料[5]。

图5 VHTR反应堆系统4．VHTR堆型的优缺点VHTR是石墨慢化氦冷反应堆，具有热中子能谱和一次寿命周期。

其总体特点包括冷却剂出口温度高（高于850℃）、功率密度大（大于6MW/m3）、燃料和材料寿命长（大于40年）、安全裕度大、燃耗更深（大于150-200GWd/t(U)）。

主要优势表现为：安全性好：VHTR保持了高温气冷堆具有的良好安全特性，由于堆的负反应温度系数和很大的温升裕度，使反应堆在任何情况下即使不进行人为的干预也能安全停堆，同时停堆后的热量（余热）可以依靠自然对流、热传导和辐射等自然机理传输到堆外，保证堆芯燃料元件的最高温度限制在其允许温度以下，因而在任何情况下也不会发生堆芯熔毁、放射性外泄等危害公众和环境安全的事故。

综合效益高：VHTR冷却剂出口温度在1200℃时的热效率能达到60%。

这不仅能提高发电成本，还能降低单位电功率产生的裂变废物，降低废热和减少冷却水消耗。

图6 VHTR热效率与冷却剂出口的温度对比图7 提高热效率的优势用途广泛：VHTR可以向高温、高耗能和不使用电能的工艺过程提供广谱热量，还可以与发电设备组合以满足热电联产的需要。

除了能发电外，还可通过热电联供广泛应用于石油化工、煤的气化液化等需要大量高温工艺热的部门。

另外，它还可以用于城市供暖和海水淡化，特别是还可以用来作为制氢的热源，是未来氢时代最具有前景的能源提供者[7]。

其不足之处为：由于其超高温的特性，对反应堆材料的性能要求很高；用氦气做冷却剂，对系统的密封性要求高；技术不够成熟，缺乏经验。

5．VHTR发展趋势5.1 前景展望在高温气冷堆发展的基础上，超高温气冷堆(VHTR)将成为第四代核能系统的首选堆型之一。

10兆瓦高温气冷实验堆是由我国自主研究开发、自主设计、自主制造、自主建设、自主运行的世界上第一座具有非能动安全特性的模块式球床高温气冷堆，各项技术指标均达到世界先进水平，为商业化开发奠定了坚实的基础。

20万千瓦级高温气冷商用示范堆（HTR-PM ）投入商业运行后，随着设计和制造技术的不断完善，除了其独特的固有安全特性外，在高（热）效率、高负荷因子和低造价、低发电成本等方面将充分展现其明显的技术优势和经济优势。

因此，高温气冷堆将成为我国未来核电发展的一个重要堆型。

也必将为VHTR的研发提供技术支持和运行经验。

超高温气冷堆为后石油时代核能制氢展现了光明前景。

在石油、天然气日益紧缺的今天，用氢做燃料是被科学家们普遍看好的清洁能源。

但由于制氢所需要的巨大能量而使其成本太高，而超高温气冷堆能以很低的成本提供巨大的能量，从而大幅降低制氢成本。

核能制氢有可能成为未来生产清洁生产能源极具竞争力的新兴产业，而超高温气冷堆则以她独特的技术优势成为未来核能制氢工业无可替代的堆型。

5.2 VHTR需要填补的技术缺口验证VHTR堆芯的可行性需要攻克许多重要的技术难关，必须开发新型的反应堆材料，这些燃料和材料必须满足一下要求：使堆芯出口温度从850℃提高到1000℃，甚至更高温度；使燃料在发生事故后能承受的最高温度达到1800℃；使燃料的最大燃耗达到150～200GWd/MTHM(HM-重金属)；避免堆芯内功率峰值和温度梯度，避免发生冷却剂气体湍流现象[2]。

目前在反应堆温度、功率水平以及运行压力等方面还存在特定工艺技术研究开发上的缺口。

利用氦气使化学反应器加热不同于工业界目前采用的办法，需要进行专门的开发和验证。

需要对耐氢气、一氧化碳和甲烷等腐蚀性气体的高温合金和包覆材进行可用性和合格性鉴定。

采用碘-硫(I-S)工艺制氢的可行性仍需要对三个基本化学反应进行小规模和大规模的验证，而且需要开发耐腐蚀的材料。

必须避免产品受到任何形式的污染。

为了将核岛和制氢工业生产设施隔离开，尤其为了隔离像氚这样能够在高温下极易弥散穿透金属屏蔽层的同位素，必须开发专门的热交换器、气体冷却剂导管及阀门等设备。

VHTR性能问题还包括，为了提高发电效率，必须开发高效率氦气轮机(透平机)。

反应堆和热利用系统的模块化制造将是VHTR在商业推广进程中面临的另一个巨大挑战[4]。

6．总结综上所述，超高温气冷堆(VHTR)是一种功率高、应用范围广、安全性高的重要设计方案，其运行温度高，能够有效地将热能转换为电能，可以从等量的燃料中提取比传统核电站多50%的电能。

同时由于出口温度高，VHTR还可以应用于多种工艺应用，如制氢、工业热或联产利用的各种领域等。

这是解决未来电力和运输用燃料需求的一个有效途径和方向。

另一个方面，在第四代国际核能论坛确定的未来第四代反应堆中，VHTR可能具有实际运行可能的最先进反应堆概念之一。

VHTR将成为今后核能研究的主要方向之一，尤其是对超高温反应堆材料的研究，将会对未来反应堆材料的研究起重要作用。