转：高温气冷堆技术开发需要改进和创新

规则床模块堆的优越特性

    球形燃料元件从随机堆积到有序排列的改变，对反应堆物理、热工和结构设计，反应堆运行方式以及扩展反应堆应用领域都产生重要影响，现简述如下：

    1、提高反应堆性能和参数

    堆芯燃料球有固定的位置，可将不同燃耗深度的燃料球或石墨球分配到轴向和径向的预定位置，能够精细地展平两维空间的功率和温度分布，改变了卵石床堆功率和温度分布极其不均匀的状态。结晶化的密实体堆芯具有结构适应性和稳定性，允许冷却剂以多流程或水平方向流经堆芯，不会因流动压力和方向的改变而造成球床密度变化，大大降低了球床流动阻力。提高了反应堆比功率、冷却剂出口平均温度和热能转换效率。单堆热功率预计可从卵石床堆的400 MW,提高到800 MW以上,而热能转换效率可以从卵石床堆的41%,提高到接近柱状燃料模块堆设计值47%,这将对模块式高温气冷堆的经济性产生重大影响。有可能利用3座或2座模块堆就能达到商用核电的经济规模。

    2、排除了卵石床堆设计不确定因素

    球形燃料元件不同于柱状燃料元件和其它类型反应堆的燃料元件，它特有的优点是品种单一、便于批量生产、结构强度高、辐照稳定性好，便于装卸、运输和贮存等。规则床模块堆除保留了这些优点外，还排除了卵石床堆设计中的一些不确定因素。譬如：靠近堆芯的反射层石墨块在反应堆寿期内需要更换，在结构设计上更换反射层石墨块是很困难的，由于石墨材料耐辐照数据不足，更换周期也难以确定，甚至对这种堆型的开发产生疑虑。规则床设计则可以在这种强快中子辐照区以石墨球代替石墨块，从而减少和避免石墨块的更换。另外，为了解卵石床堆燃料球在堆芯内的流动规律，只能在冷态下做些实验，还不能模拟热态下石墨间摩擦系数增大后的情况。但是，球流规律却需要输入反应堆物理热工设计计算程序，去预测堆内温度和功率分布。如果预测不够准确，还会发生过热或过燃耗情况。反应堆长年运行情况是复杂的，不会一成不变地遵守球流对应燃耗分布的规律，例如，运行中出现设备故障，会改变球的流动与燃耗的对应关系，甚至有时可能需要卸出全部燃料，当再装入堆芯时，就没有燃耗分布规律了，会造成运行工况异常复杂。在规则床堆芯内，不存在这些问题。

    3、堆体结构和运行方式简化

    卵石床堆芯有上气腔、上堆积锥及下出口锥等不规则形状。规则床堆芯上下两端是平面，没有气腔，紧靠石墨反射层，堆芯几何形状为八角形柱体或八角形有石墨芯柱体，形状规则。它的反应堆物理、热工设计是简单的。卵石床堆芯有又粗又长的燃料球出口管，当堆芯较小时，出口管也需要同样尺寸，不仅占用更多燃料球，还使小堆的应用受到限制。规则床不需要堆底卸料，没有出球管，简化了复杂的堆底结构，也减小了压力壳尺寸。

    规则床堆像通常反应堆那样以定期停堆换料方式运行，换料操作只在停堆和低温低压条件下进行，不需要在运行中装入和卸出燃料，也就没有在高温高压和强放射性条件下维护换料设备的需要。

    4、燃料装卸运输和贮存发生重大变化

    规则床堆定期停堆换料与压水堆的运行方式相同，但换料操作大不相同。因为60 mm直径的燃料球，可以在管道内自由输送，容易设置防护和进行强放射性操作。当进行堆芯换料时，只需要打开压力壳上的一些开孔，不需打开压力壳封头，不需深水防护，不需要庞大的操作空间和换料厂房。按照文献[2]所述的装卸料方法，预计停堆换料所需时间也会短于压水堆的时间。同样，它的转移也不需要水下运输和水池贮存，是一种较简单的干法运输和贮存，因此它会给反应堆的设计和更广泛的应用带来革命性变化。

    5、创建新的燃料元件循环利用系统

    燃料球便于装卸和运输，反应堆卸出的燃料球经过燃耗测量，可分辩出它们不同的燃耗深度，这些用过的燃料球与新燃料球恰好是批换料装入新堆芯的需要。在功率较大的规则床堆内，燃料球经过多次使用，几乎都能达到包覆粒子燃料特有的深燃耗（80000～120000 MWD/tU），因此可获得较高的燃料经济性。在功率较小的规则床堆内，所需燃料富集度高而卸出的燃料还不能达到目标燃耗。但燃料球可以不仅仅用在一座堆上，而是用于由许多大小堆组成的一个燃料球循环利用系统，完全不同于压水堆燃料组件只能用于一个特定反应堆的特性。按照这一系统的需要生产新燃料球，最终都平均达到目标燃耗，这将带来核燃料利用的一次重大革新。燃料球循环利用系统见图5。在图5所示的系统中，大小堆共享燃料成本，它的重要意义就在于小堆燃料成本显著降低，是以前任何小型动力堆所没有的低成本。再加上，模块式高温气冷堆特有的固有安全性，使核能有可能以中小功率规模，例如热功率在 200～400 MW及20～200 MW，以低于煤炭、石油、天然气或电力成本，供应清洁的电能或热能。燃料成本的显著降低是中小规模动力堆应用的重要突破，在世界上将会有庞大的市场需求。

    规则床堆的不利因素和所需要的研发工作

    卵石床堆采用燃料球连续换料，可以减少过剩反应性。因此不必添加可燃毒物，有利于中子经济性。减少换料停堆时间，提高电站利用因子。规则床堆没有连续换料特性，当添加可燃毒物克服过剩反应堆时，它如同柱状燃料堆，需要提高燃料初始富集度大约几个百分点。当高温气冷堆引入增殖材料钍时，可以不添加可燃毒物，不仅反应性波动小，还能利用钍的增益延长运行时间。而规则床堆燃料的分区特性及燃料球的灵活性，有可能利用低富集度铀实现钍的利用，这是有待进一步研究的问题。即使如柱状燃料堆那样，添加可燃毒物，富集度的提高对总经济性的影响与其他因素相比也很小。至于，不停堆换料对负荷因子的作用，远远小于规则床堆提高单堆功率的影响。总之，规则床模块堆放弃连续换料，却换来了上述诸多优点，获得战略上的巨大进步。

    规则床模块堆表现出多方面优越的设计性能，很多性能超越了现有球形燃料模块堆和柱状燃料模块堆。实现燃料球堆芯从“无序”到“有序”的转变，仅仅是球体排列方式的转变，是一种简单的物理规律，很容易由不含核燃料的球体在一般实验室的模拟装置中得到验证。一旦球形元件的装卸和规则排列在模拟实验中得到证实，反应堆的其他研究开发工作，都是成熟的，没有超出球形燃料堆和柱状燃料堆的设计研究范围。

    最好的模拟实验是利用实际尺寸的石墨球在模拟堆芯上进行燃料装卸和堆积实验，它与高温气冷堆的实际情况十分接近。利用同一装置还可研制专用的装卸设备、工具和仪器，并且测量规则床性能和气体流动阻力等参数。另一项研究课题是有关燃料球屏蔽转运问题，它虽然比压水堆乏燃料组件的转运简单，但还需要研制出一套安全可靠的措施和设备，以满足燃料球循环利用的要求。在这些实验和模块式高温气冷堆设计技术的基础上，可以直接设计和建造规则床模块式高温气冷示范堆。完成具有战略意义的新一代核能应用开发的重要一步。

    结论

    球形燃料模块式高温气冷堆堆芯的规则床设计，对反应堆的性能和应用产生重大影响。对于以发电和制氢为主要目标的模块堆，能提高功率水平、气体出口温度和热能转换效率，从而在较大程度上改善经济性。

    新奇的“结晶化”堆芯结构，球形元件特有的灵活性，大小堆燃料都能达到深燃耗，以及反应堆固有安全性等基本特性，使核能有可能扩展应用于发电以外的多种领域，特别是中小规模的应用领域，具有极其广阔的市场需求，对于全球替换化石燃料，减少污染排放和应对气候变化具有重要意义。

    这种具有基础创新意义的研究和开发，其核心是对球形元件的堆积和装卸，以及转移和运输技术的研究，是容易实现的。这可能为高温气冷堆增添新的含意，可能突破原有压水堆核能应用的局限性，具有重要战略价值和应用前景。（作者田嘉夫 系清华大学核能技术研究所教授、北大青鸟新能源科技有限公司顾问）

规则床模块堆的优越特性

    球形燃料元件从随机堆积到有序排列的改变，对反应堆物理、热工和结构设计，反应堆运行方式以及扩展反应堆应用领域都产生重要影响，现简述如下：

    1、提高反应堆性能和参数

    堆芯燃料球有固定的位置，可将不同燃耗深度的燃料球或石墨球分配到轴向和径向的预定位置，能够精细地展平两维空间的功率和温度分布，改变了卵石床堆功率和温度分布极其不均匀的状态。结晶化的密实体堆芯具有结构适应性和稳定性，允许冷却剂以多流程或水平方向流经堆芯，不会因流动压力和方向的改变而造成球床密度变化，大大降低了球床流动阻力。提高了反应堆比功率、冷却剂出口平均温度和热能转换效率。单堆热功率预计可从卵石床堆的400 MW,提高到800 MW以上,而热能转换效率可以从卵石床堆的41%,提高到接近柱状燃料模块堆设计值47%,这将对模块式高温气冷堆的经济性产生重大影响。有可能利用3座或2座模块堆就能达到商用核电的经济规模。

    2、排除了卵石床堆设计不确定因素

    球形燃料元件不同于柱状燃料元件和其它类型反应堆的燃料元件，它特有的优点是品种单一、便于批量生产、结构强度高、辐照稳定性好，便于装卸、运输和贮存等。规则床模块堆除保留了这些优点外，还排除了卵石床堆设计中的一些不确定因素。譬如：靠近堆芯的反射层石墨块在反应堆寿期内需要更换，在结构设计上更换反射层石墨块是很困难的，由于石墨材料耐辐照数据不足，更换周期也难以确定，甚至对这种堆型的开发产生疑虑。规则床设计则可以在这种强快中子辐照区以石墨球代替石墨块，从而减少和避免石墨块的更换。另外，为了解卵石床堆燃料球在堆芯内的流动规律，只能在冷态下做些实验，还不能模拟热态下石墨间摩擦系数增大后的情况。但是，球流规律却需要输入反应堆物理热工设计计算程序，去预测堆内温度和功率分布。如果预测不够准确，还会发生过热或过燃耗情况。反应堆长年运行情况是复杂的，不会一成不变地遵守球流对应燃耗分布的规律，例如，运行中出现设备故障，会改变球的流动与燃耗的对应关系，甚至有时可能需要卸出全部燃料，当再装入堆芯时，就没有燃耗分布规律了，会造成运行工况异常复杂。在规则床堆芯内，不存在这些问题。

    3、堆体结构和运行方式简化

    卵石床堆芯有上气腔、上堆积锥及下出口锥等不规则形状。规则床堆芯上下两端是平面，没有气腔，紧靠石墨反射层，堆芯几何形状为八角形柱体或八角形有石墨芯柱体，形状规则。它的反应堆物理、热工设计是简单的。卵石床堆芯有又粗又长的燃料球出口管，当堆芯较小时，出口管也需要同样尺寸，不仅占用更多燃料球，还使小堆的应用受到限制。规则床不需要堆底卸料，没有出球管，简化了复杂的堆底结构，也减小了压力壳尺寸。

    规则床堆像通常反应堆那样以定期停堆换料方式运行，换料操作只在停堆和低温低压条件下进行，不需要在运行中装入和卸出燃料，也就没有在高温高压和强放射性条件下维护换料设备的需要。

    4、燃料装卸运输和贮存发生重大变化

    规则床堆定期停堆换料与压水堆的运行方式相同，但换料操作大不相同。因为60 mm直径的燃料球，可以在管道内自由输送，容易设置防护和进行强放射性操作。当进行堆芯换料时，只需要打开压力壳上的一些开孔，不需打开压力壳封头，不需深水防护，不需要庞大的操作空间和换料厂房。按照文献[2]所述的装卸料方法，预计停堆换料所需时间也会短于压水堆的时间。同样，它的转移也不需要水下运输和水池贮存，是一种较简单的干法运输和贮存，因此它会给反应堆的设计和更广泛的应用带来革命性变化。

    5、创建新的燃料元件循环利用系统

    燃料球便于装卸和运输，反应堆卸出的燃料球经过燃耗测量，可分辩出它们不同的燃耗深度，这些用过的燃料球与新燃料球恰好是批换料装入新堆芯的需要。在功率较大的规则床堆内，燃料球经过多次使用，几乎都能达到包覆粒子燃料特有的深燃耗（80000～120000 MWD/tU），因此可获得较高的燃料经济性。在功率较小的规则床堆内，所需燃料富集度高而卸出的燃料还不能达到目标燃耗。但燃料球可以不仅仅用在一座堆上，而是用于由许多大小堆组成的一个燃料球循环利用系统，完全不同于压水堆燃料组件只能用于一个特定反应堆的特性。按照这一系统的需要生产新燃料球，最终都平均达到目标燃耗，这将带来核燃料利用的一次重大革新。燃料球循环利用系统见图5。在图5所示的系统中，大小堆共享燃料成本，它的重要意义就在于小堆燃料成本显著降低，是以前任何小型动力堆所没有的低成本。再加上，模块式高温气冷堆特有的固有安全性，使核能有可能以中小功率规模，例如热功率在 200～400 MW及20～200 MW，以低于煤炭、石油、天然气或电力成本，供应清洁的电能或热能。燃料成本的显著降低是中小规模动力堆应用的重要突破，在世界上将会有庞大的市场需求。

    规则床堆的不利因素和所需要的研发工作

    卵石床堆采用燃料球连续换料，可以减少过剩反应性。因此不必添加可燃毒物，有利于中子经济性。减少换料停堆时间，提高电站利用因子。规则床堆没有连续换料特性，当添加可燃毒物克服过剩反应堆时，它如同柱状燃料堆，需要提高燃料初始富集度大约几个百分点。当高温气冷堆引入增殖材料钍时，可以不添加可燃毒物，不仅反应性波动小，还能利用钍的增益延长运行时间。而规则床堆燃料的分区特性及燃料球的灵活性，有可能利用低富集度铀实现钍的利用，这是有待进一步研究的问题。即使如柱状燃料堆那样，添加可燃毒物，富集度的提高对总经济性的影响与其他因素相比也很小。至于，不停堆换料对负荷因子的作用，远远小于规则床堆提高单堆功率的影响。总之，规则床模块堆放弃连续换料，却换来了上述诸多优点，获得战略上的巨大进步。

    规则床模块堆表现出多方面优越的设计性能，很多性能超越了现有球形燃料模块堆和柱状燃料模块堆。实现燃料球堆芯从“无序”到“有序”的转变，仅仅是球体排列方式的转变，是一种简单的物理规律，很容易由不含核燃料的球体在一般实验室的模拟装置中得到验证。一旦球形元件的装卸和规则排列在模拟实验中得到证实，反应堆的其他研究开发工作，都是成熟的，没有超出球形燃料堆和柱状燃料堆的设计研究范围。

    最好的模拟实验是利用实际尺寸的石墨球在模拟堆芯上进行燃料装卸和堆积实验，它与高温气冷堆的实际情况十分接近。利用同一装置还可研制专用的装卸设备、工具和仪器，并且测量规则床性能和气体流动阻力等参数。另一项研究课题是有关燃料球屏蔽转运问题，它虽然比压水堆乏燃料组件的转运简单，但还需要研制出一套安全可靠的措施和设备，以满足燃料球循环利用的要求。在这些实验和模块式高温气冷堆设计技术的基础上，可以直接设计和建造规则床模块式高温气冷示范堆。完成具有战略意义的新一代核能应用开发的重要一步。

    结论

    球形燃料模块式高温气冷堆堆芯的规则床设计，对反应堆的性能和应用产生重大影响。对于以发电和制氢为主要目标的模块堆，能提高功率水平、气体出口温度和热能转换效率，从而在较大程度上改善经济性。

    新奇的“结晶化”堆芯结构，球形元件特有的灵活性，大小堆燃料都能达到深燃耗，以及反应堆固有安全性等基本特性，使核能有可能扩展应用于发电以外的多种领域，特别是中小规模的应用领域，具有极其广阔的市场需求，对于全球替换化石燃料，减少污染排放和应对气候变化具有重要意义。

    这种具有基础创新意义的研究和开发，其核心是对球形元件的堆积和装卸，以及转移和运输技术的研究，是容易实现的。这可能为高温气冷堆增添新的含意，可能突破原有压水堆核能应用的局限性，具有重要战略价值和应用前景。（作者田嘉夫 系清华大学核能技术研究所教授、北大青鸟新能源科技有限公司顾问）