浅析10MW高温气冷实验堆对于高温气冷堆示范工程的作用

赵 木，冯九河

(中核能源科技有限公司，北京 100084)

浅析10MW高温气冷实验堆对于高温气冷堆示范工程的作用

赵 木，冯九河

(中核能源科技有限公司，北京 100084)

介绍了10MW高温气冷实验堆 (简称HTR-10)工程的实践经验成果，论述了HTR-10的成功对于高温气冷堆示范工程的现实意义。

核能;高温气冷实验堆;示范工程

1 前言

21世纪全球对能源的需求量将继续增长，核能必将有一个大的发展。球床模块式高温冷堆具有固有安全性、高效发电、应用领域广泛等特性和优点，是新一代的先进核反应堆，将在我国未来的能源系统中，高效发电、工艺供热和核煤转化生产液态燃料、制氢开发氢能源等方面发挥其独特的作用。国外高温气冷堆的发展主要经历了早期气冷堆 (Magnox)、改进型气冷堆 (AGR)和高温气冷堆 (HTGR)。

我国高温气冷堆研究始于20世纪70年代，清华大学核研院对高温气冷堆某些关键技术进行过早期的探索。根据我国技术发展水平和经济条件，1992年国务院批准，在2000年前建造一座热功率10MW的高温气冷实验堆，以掌握高温气冷堆的设计、建造和运行技术，作为我国发展高温气冷堆战略的第一步。1993年7月12日国家科委、国家教委签订“863”计划高温气冷实验堆委托建设和运行管理合同。1994年12月26日国家核安全局完成对HTR-10“初步安全分析报告”的审评，并颁发建造许可证。1995年6月14日HTR－10工程浇灌第一罐混凝土。2000年11月17日国家核安全局完成HTR-10“最终安全分析报告”的审评，并颁发装料许可证。2000年12月首次装料达到临界。从2002年8月起，反应堆开始进行低功率(5%额定功率以下)调试运行，并做了大量相关系统和设备的热态功能试验验证。自2002年11月开始，连续进行30%、50%、75%、100%额定功率下的各项试验。2003年1月29日19∶30分完成72h的满功率调试运行和验证试验。2003年期间，经国家核安全局审查批准，在该堆上成功的进行了3项验证固有安全性的试验，受到国内外核能界极大的关注和高度评价。2004年度全年累计运行150d，功率运行3070h。运行中进行了散热、供热、发电和热电联供等不同运行模式和工况下的连续运行试验，取得了大量运行实验数据和宝贵的运行经验。

实践证明，我国自主设计、建造和运行的10MW高温气冷实验堆是成功的，它是目前世界上第一座建造运行成功的模块式球床高温气冷堆，获得了2006年国家科技进步一等奖。经过两年时间，完成了包括环境影响在内的100项安全相关系统方面的实验。其关键设备都由我国自主设计、制造和建设。它的并网发电成功，为我国今后模块式高温气冷堆核电站产业化发展打下了良好的基础。

2 HTR-10为示范工程提供的实践经验

2.1 HTR-10设计基础

(1)采用了具有固有安全性模块式高温气冷堆设计概念［1］，如图1所示。

(2)满足“863”计划所规定的进行多项目的试验要求，即a.掌握高温气冷堆的设计、建造与运行技术;b.验证模块式高温气冷堆的固有安全性;c.进行高温气冷堆燃料元件和材料的辐照试验;d.进行发电和区域供热实验;e.开展高温工艺热的应用研究。

图1 HTR-10一回路系统剖面图

(3)分两阶段运行达到预定的研究目标，即第一阶段堆芯氦气出口温度为700℃，由蒸汽发生器产生蒸汽进行发电和区域供热试验;第二阶段将堆芯氦气的出口温度提高到900℃，进行气体汽轮机循环发电试验或高温工艺热的试验研究。

在整体设计、堆体设计、厂房布置、材料选择等方面均考虑由第一阶段运行扩展到第二阶段运行的可行性。

2.2 HTR-10建设经验为示范工程提供坚实基础

HTR-10从工程设计、设备制造、工程实验、设备安装和调试运行等方面都有很多技术关键问题要解决。多年来清华大学核研院与国内有关参与HTR-10建设单位共同努力，克服了重重难关，突破了关键技术，取得了许多重大科技成果和工程建造成果，其中有些是国内首创或达到了国际领先或先进水平。目前，HTR-10已成为我国高温气冷堆技术发展的研究基地，为我国高温气冷堆的设计、制造、建造、运行等提供了大量技术和实践数据。

2.2.1掌握高温气冷堆在设计、建造和运行方面的技术

我国虽经20多年高温气冷堆的研究，在一些关键技术，如燃料元件的制造，氦技术，核物理、热工、结构，安全软件等方面都已取得可喜的进展。但在高温气冷堆工程设计、建造、运行尚无实践经验。而通过HTR-10的建设，将使我国全面掌握这三个方面的技术。为模块式高温气冷堆示范工程的产业化、商用化积累宝贵的经验。

HTR-10工程建设主要成果为：(1)证实HTR-10基本性能和主要运行参数已达到设计目标;(2)验证了包覆颗粒球形燃料元件的研制技术;(3)验证了氦技术研究成果和关键氦技术设备的研制成功;(4)验证了连续装卸燃料的管理方式和关键技术的突破［2，3］; (5)验证了创造性的自主开发的全数字化的仪控和保护系统功能［4］; (6)验证了所采用的各种计算、管理程序和质保体系都是可行、有效的。

2.2.2提供一个燃料元件和材料的辐照实验基地

在HTR-10的石墨反射层中设计预留了用于进行石墨、金属材料和燃料元件辐照实验的孔道，这为今后国产材料和元件的辐照实验提供了装置并使这些材料和元件实际应用有了可靠的技术保证。特别是在HTR-10的设计中还应考虑大量燃料元件在16000C工况下的运行实验，这是国际上尚未进行过的实验研究，它将为高温气冷堆的安全性提供进一步验证依据，为200MW高温气冷堆示范工程的建设提供成熟的材料。

2.2.3进行发电和区域供热试验

在HTR-10第一期工程中要考虑各种运行模式，包括单一发电、热电联供和单一供热等。这可拓宽高温气冷堆的应用范围，并为稠油开采和石化工业要求的热电联供提供实际的运行经验，为示范工程及未来的群堆建设提供了应用基础。

2.2.4验证模块式高温气冷堆的固有安全性

国内外的设计和计算表明，模块式高温气冷堆是一种具有极好固有安全性的反应堆。但固有安全特性应该通过反应堆的试验予以充分证明，这些特性包括停风机后自动停堆、失压失冷后堆芯温度的变化、余热传出的能力、控制棒全部抽出堆功率及温度的变化等。HTR-10的设计、建造满足这些试验的要求和条件，安全特性试验证明HTR-10具有固有安全性，为200MW高温气冷堆示范工程的合理设计提供了保证。

2.2.5HTR-10实验堆为示范工程培养人才

HTR-10从设计、建造到运行的全过程是一所培养建堆人才的大学校，是造就各类工作岗位人才骨干有效的理论和实践的基地。事实证明，高温气冷堆示范工程的设计就是以这批人才为根本。HTR-10和这批人才，对我国高温气冷堆示范的建设具有很大的现实意义。

2.2.6HTR-10关键设备的突破与科技成果

HTR-10除个别部件和材料须从国外进口之外，其主要设备和部件国内都可研制，有很高的国产化水平。主要包括：(1)反应堆压力容器国内首次设计与制造成功; (2)蒸汽发生器设计先进、新颖首次研制成功; (3)堆内构件的设计、加工和安装是国内首创;(4)氦气主循环风机国内首次研制成功; (5)燃料元件装卸系统设计有创新、技术有突破;(6)全数字化控制与保护系统设计创新、研制成功;(7)氦气工程实验突破了许多氦技术关键;(8)控制棒及其驱动机构的设计与研制成功;(9)球形燃料元件生产的质量已接近世界先进水平。这些设备和部件经过HTR-10一段时间运行考验，为我国模块式高温气冷堆示范工程提供实现国产化的依据。

2.2.7HTR-10设计体现高温气冷堆示范工程的技术特点

HTR-10的设计在总体上要体现200MW球床模块式高温气冷堆的主要技术特点，是一次全面的工程验证。主要技术特点包括：(1)堆芯余热排除系统是一个自然循环的非能动系统，有很高的可靠性; (2)反应堆具有控制棒和吸收球两套独立的停堆系统，全部控制棒孔道和吸收球孔槽都位于侧反射层石墨砌体内，运行可靠性高，即可实现快速停堆，又可使反应堆维持在长期冷停堆状态;(3)燃料装卸系统采用了气动脉冲单列器的球形燃料元件装卸机构;(4)采用蒸汽发生器与中间换热器的一体化结构设计，考虑一、二期运行更替时在结构和工程设计上的衔接;(5)设有负压通风和事故通风系统的一回路舱室具有“包容体”的功能，以防止放射性气体向周围环境释放。不设置需承压和气密封要求很高的“安全壳”;(6)反应堆采用数字化控制保护系统; (7)二回路设计考虑蒸汽轮机循环、蒸汽轮机－气体轮机联合循环分阶段运行的可能性。

2.2.8开展高温工艺热的应用研究

正在进行的HTR-10第二期工程，将温度提高到900～950℃进行高温工艺热的应用研究。利用中间热交换进行气体透平或蒸汽透平联合循环的试验，以便使高温气冷堆的发电效率提高到45%左右，以及进行固体燃料气化、液化的蒸汽重整试验和制氢开发氢能源。这些研究将为高温堆应用开辟一条新的途经。核研院已开始进行氢能开发的研究，这是高温气冷堆技术应用的长远发展目标。

另外，HTR-10在建设管理模式、工程进度控制、工程质量保证、工程监理、工程经费管理、工程调试等各个方面为200MW级高温气冷堆示范工程提供了保贵经验。

3 200MW级高温气冷堆示范工程的建设

在10MW高温气冷实验堆建造成功之后，于2004年3月，由中国华能集团公司、中国核工业建设集团公司和清华大学共同决定进行高温气冷堆技术成果的产业化、工程化、商业化合作，首先建造一座电功率为200MW的高温气冷堆核电示范工程。2006年国务院在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020)中将高温气冷堆核电站列入重大专项。2006年12月至今，中国华能集团公司、中国核工业建设集团公司、清华大学一直在山东石岛湾推广200MW级高温气冷堆核电示范工程。HTR-10的成功，它向人们展示了高温气冷堆巨大的安全特性和经济意义，它将为中国核能事业开创一个崭新的发展阶段。

4 结论

10MW高温气冷实验堆不仅对高温气冷堆示范工程的建设提供了坚实的现实基础，示范工程建成后高温气冷堆将会在全国及发展中国家有更大的发展。在这一过程中，HTR-10仍起到关键的实验与示范的作用，它的历史使命仍将继续。

［1］刘俊杰，王敏稚，张征明，张振声，何树延.10MW高温气冷实验堆的堆体结构特点.核动力工程，2001，22 (1)：53～56

［2］梁锡华，黄鹏，吴晓东，刘凌，牛道青，姚伟.HTR-10燃料元件装卸系统冷态调试.核动力工程，2002，23 (1)：54～56

［3］肖宏伶，肖文.HTR-10燃料元件装卸系统的集散控制.核动力工程，2002，23(1)：25～27

［4］孙栓，魏利强，王宇澄，王立双，冯金梅，陈光建.HTR-10数字化控制系统人-机交互界面设计.核动力工程，2001，22(6)：505～507

Brie f Analysis on Effect of HTR-10 Reactor to High Tem perature Gas-cooled Reactor

ZHAO Mu，FENG 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