5月26日，国家重大专项高温气冷堆核电站示范工程全范围模拟机供货合同签署，这标志着我国核电仿真自主化取得新进展。近日，有读者致信本报，欲了解高温气冷堆的技术现状和创新方向。为此，本报特约田嘉夫先生撰文，介绍国际高温气冷堆研发运行的相关情况。
高温气冷堆的技术进展
气体冷却反应堆与水冷却反应堆一样都是最早开发研究的堆型。经过几十年的研究发展，气冷堆技术显现出许多优越性。其中工作温度高，热能转换效率高的堆型，被称为高温气冷堆。高温气冷堆是以耐高温陶瓷型包覆颗粒为燃料，以具有化学惰性和反应性惰性的氦气为冷却剂，以耐高温石墨为慢化剂、反射层和结构材料。由于没有金属材料，冷却剂出口温度可以达到和超过950℃，发电效率能够比水冷堆高出40％。除发电外，还能作为高温工艺用热以及高效率制氢的供热能源。
上世纪80年代,德国科学家提出的高温气冷堆模块化设计概念，排除了堆芯熔化和发生严重事故的可能，提高了反应堆的固有安全性。使它从第2代和第3代核电堆型中脱颖而出，具备了第4代堆得一些特点。固有安全性设计省去了冗余的安全设置，省去了承压安全壳，简化了反应堆系统和结构。有更宽容的选址适用范围，可以靠近城市或人口密集区域。另外，模块化设计可以直接耦合氦气透平机组，使能量转换系统更简单，发电效率更高。它的高度的反应堆安全性、颗粒燃料良好的防核扩散性能，以及高效率发电和制氢能力，在国际上受到广泛重视，被列为第四代先进核能系统中优先发展的堆型之一。
前些年，很多国家都积极地投入了开发研制工作。中国和日本分别建造了小型高温气冷实验堆，即中国的10 MW球形燃料堆（HTR－10）及日本的30 MW柱状燃料堆（HTTR）。为扩大商用堆单堆功率规模都采用环形堆芯设计，在原柱状燃料堆实验的基础上，美国和俄国联合设计了柱状燃料模块堆（GT-MHR），日本也设计了柱状燃料模块堆（GTHTR300），单堆热功率均为600 MW，电功率接近300 MW。在原德国卵石床堆（球形燃料堆）实验的基础上，中国和南非分别设计了球形燃料模块堆（HTR-PM及PBMR），热功率为458和400 MW，电功率为195和165 MW。
多年来球形燃料堆和柱状燃料堆形成了两套设计体系，它们的主要区别是堆芯燃料元件形状和尺寸的不同，一个是六角形棱柱燃料，另一个是球形燃料。
模块化设计的单堆功率较小，提高功率改善反应堆经济性是一个主要研究课题。为达到商用核电的经济规模，美国设想4×600 MW组合的柱状燃料堆，总电功率接近1200 MW，但却认为缺乏经济竞争力。球形燃料堆的功率规模更小，和柱状燃料堆一样设计上也存在一些技术问题，如果仅仅停留在80年代以前AVR及THTR卵石床堆（德国在当时建设的两台实验气冷堆 编者注）的研究水平上，单堆功率甚至还不能实现上述规模，恐怕很难成为经济上有竞争力的第4代核电堆型。
卵石床堆存在的问题
卵石床堆的堆芯结构与其它各种堆型截然不同，它是堆芯结构设计上的一次巨大变革。首先，卵石床堆能够成功运行，说明了包含覆盖颗粒的独一无二的球形燃料的成功；其次，说明了燃料球以极其简单的方式——卵石随机堆积形式——构成堆芯的成功。这种构成堆芯方式不同于现有其它各种类型反应堆，如：压水堆、沸水堆、重水堆以及快中子增殖堆，它们都是将燃料元件做成结构复杂的燃料组件，其中包括一些弹性元件及保持冷却剂均匀分布的元件，再将组件安置在更为复杂的堆芯结构内。这样它们才能适应强辐照、高温、高流速以及高热负荷的环境，承受高燃耗下的肿胀、变形甚至破损的影响。而卵石床能够适应这种严酷的环境，但构成方式却异常简单，就如同从卡车上把“卵石”卸到空腔一样。这种堆芯结构虽然简单，但不够完善，球形燃料元件潜在的巨大优越性还没有表现出来。
对现有的高温气冷堆研究后发现，卵石床堆存在一些技术问题。过分简单的随机堆积方式不能满足反应堆多方面的技术要求，特别是在模块化设计中，显现出很多不足和缺憾：
反应堆运行过程中“燃料卵石”从上向下移动，燃料燃耗从上到下逐渐加深，造成堆芯功率分布极不均匀。为了减缓这种影响，只好提高卵石流动速度，使它们平均6次或10次穿过堆芯后达到目标燃耗。这样做的结果，增加了装卸机构的负担和卵石的磨损，产生更多的石墨粉。虽然功率均匀性好一些，但还不能达到展平的效果。功率分布不均匀系数的设计值在4.5左右，与此相比，现代压水堆的不均匀系数仅为2.6。这也是导致卵石床模块堆功率密度低，单堆功率小的原因之一；
卵石的随机堆积使燃料装入后不能实验测量中子注量率和功率分布，而且很难监测可能产生的局部密实化（结晶化），对温度分布和功率分布增大了不确定性，限制了输出功率和温度的提高，这也是对AVR实验堆安全性产生怀疑和争议的原因之一；
冷却剂穿过卵石床堆芯的阻力很大，这是造成功率密度低和循环热效率低的又一重要原因。
由于这些问题的存在，反应堆的一些主要技术性能远不如柱状燃料高温气冷堆。这主要是因为卵石以“无序”和“随机”的状态散装在堆芯内造成的，对卵石床进行改进是必要的、可能的，也是容易实现的。
卵石床堆的改进
虽然卵石床堆不能像压水堆燃料元件那样做成组件，再由组件构成堆芯，但每个燃料球是可以在堆芯内有固定位置，从而改善因散装状态造成的问题。首先，燃料球不应该被简单地看成“卵石”，因为卵石一般是指大小不一形态各异的石块，随机堆积是它唯一的堆放形式。球在随机堆积中，球体重力和球间摩擦力形成一种较松散的平衡体系，其空隙率大约为39％（见图1）。但燃料球不同，它是经过精密加工尺寸精确和形状规则的球体，除随机堆积外，它还可以呈现规则堆积。正四棱锥堆积就是规则堆积之一，在水平的底面上，加工很多半球形凹陷，使落入的燃料球成正方形排列，每4个球的中心又形成新的凹陷，它又成为次一层球的位置，以此层层累积形成正四棱锥规则堆积（见图2）。美国布鲁克海文实验室在上世纪60年代，曾提出利用这种规则堆积形式构成钠冷快中子增殖堆堆芯，并进行了许多规则床的实验研究。
当采用有间隙正四棱锥规则堆积及一些特殊装卸燃料措施以后，规则堆积完全能够适应模块式高温气冷堆堆芯结构要求。燃料球一次装入和卸出，放弃连续换料，以批换料方式运行。构成的堆芯横截面呈八角形，如果是有中心石墨柱的环形堆芯，就可以做成八角形环形堆芯，能满足规则堆积要求，它的八分之一模型见图3。如图3所示，只要堆芯空腔底面和侧壁做成这种几何形状，由顶部随机落入的燃料球，就会依次排列成规则堆积床。
规则床模块式高温气冷堆堆芯是一种新颖的堆芯结构设计，它在多方面改变了卵石床模块堆特性。卵石床堆存在的高温下石墨摩擦系数高，影响球床流动特性和产生石墨粉问题，以及球床局部密实化的问题，在规则床中都不存在。由于规则床内分布有直通孔道，在反应堆启动阶段，可以实验测量中子注量率和功率分布，冷却剂流道也十分规则，能够准确预测堆内温度分布。
田嘉夫：高温气冷堆技术开发需要改进和创新
日期：2010-08-04 来源：中国能源报 作者：田嘉夫
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