STT制造高温气冷堆核电厂石墨堆内构件
2014-03-26 STT袁大雷 东洋炭素
自2011年3月日本福岛核事故之后，全球的核电行业步入严冬，我国也停止了新项目的审批，进行全国性的核电安全大检查。时间步入2012年10月，随着国务院常务会议讨论并通过了《核电安全规划(2011-2020年)》（下称“核安全规划”）和《核电中长期发展规划(2011-2020年)》，标志着我国的核电正式重启，我司承接的国家高温气冷堆示范工程在经历了4年的停顿后，终于也将要再次启动，我司也将正式进入加工制造阶段，也在此浅谈下高温气冷堆及核电厂石墨堆内构件。
核反应堆发展至今，已经经历了四代，第四代核反应堆还没有真正的商业运用，第四代核反应堆的候选堆型有高温气冷堆、超临界水冷堆、熔盐堆、气冷快堆、钠冷快堆、铅冷快堆，其中高温气冷堆具有固有的安全性，是第四代核反应堆的重要候选堆型之一。
高温气冷堆的工作原理是用石墨作为慢化剂，用氦气作为冷却剂（这就是“气冷”），氦气的温度高达800°左右（这就是“高温”）。具体过程是当反应堆内的核燃料进行核反应时，放出中子，速度太快的中子经过石墨碰撞便慢下来（因为在此堆内里只有慢中子才能与铀燃料发生有效反应），以维持核反应。核反应时需要释放出大量的热量，所以用气体（氦）流经堆芯，把热量带到热交换器，再由另一路冷却剂把氦气冷却，降温后的氦气又回到堆芯继续冷却反应堆，形成闭式循环回路。
高温气冷堆分为球床高温气冷堆和柱状高温气冷堆，我国的高温气冷堆是球床堆（图一），在高温气冷堆中，石墨和炭堆内构件是核心部件，我司加工的石墨堆内构件组装后形成一个外围对边长度4.5m，内腔直径3m，高度15.6m的空心桶体结构，称为堆芯腔（图二），构成石墨燃料球的流道，燃料球经上部供求管进入堆芯腔，自上向下流动，燃料球含有核燃料，运行过程中释放大量热量，一个铀原子核裂变释放的能量是碳原子核燃烧释放出来的能量的5×107倍。燃料球的数量较少，在巨大的堆芯腔空间内运动需要载体，纯石墨制不含核燃料的石墨球就充当载体，石墨球直径D60mm，数量较多，和燃料球混合在一起，数量有30多万个。石墨球参与中子慢化过程，用于调节高温堆的反应性，运行过程中由于损耗，体积变小后经底部卸球管流出。石墨堆内构件也形成载热剂氦气的流道，石墨堆内构件上分布有30个冷氦气管道。石墨堆内构件还有一个很重要的作用就是反射中子，在石墨堆内构件外围是含硼的炭砖结构，主要起绝热作用，减弱热中子。
图一 石墨堆内构件实物图
图二堆芯腔中部一段三维图
在高温气冷堆中，石墨是典型的核心部件，主要作用就是慢化和反射中子，慢化和反射中子性能主要取决石墨的纯度和密度。为了提高反射性能，首要的是提高石墨的纯度，以去除高吸收截面的元素，石墨的杂质含量通常用硼当量表示，我司这个项目的石墨硼当量要求是≤0.9ppm。其次是密度，密度越低，慢化能力越差，这次项目用石墨密度需要在1.74～1.82 g/cm³。
之所以说高温气冷堆是第四代核反应堆的重要候选堆型之一，主要是因为高温气冷堆的固有安全性，在耐热性、缓慢的温度变化和化学稳定性上具有压水堆不可比拟优越性。
燃料方面，高温气冷堆采用把包覆燃料颗粒弥散在石墨基体里制成的全陶瓷燃料元件，最高燃料温度为1600℃，平常燃料温度为1300℃左右，而压水堆的采用合金金属包裹的燃料棒，最高燃料温度为2千多度，平常燃料温度为1700℃左右，从燃料方面比较，高温气冷堆比压水堆具有更低的燃料温度。
冷却剂方面，高温气冷堆采用冷氦气制冷，氦是惰性元素，即使高温下与燃料、石墨构件也不发生化学反应。高温的能量能够被冷氦气带出，即使氦气循环结构发生故障不起作用，依然可以通过反应堆容器表面的热辐射及自然对流使反应堆间接冷却。而压水堆中核裂变产生的热能以蒸汽形式被抽出。由于燃料棒的覆层用金属制成以及燃料温度很高，燃料棒必须浸入水中进行冷却，水对压水堆是必须的，一旦没有水来冷却的话，反应堆堆芯就会在高温下熔毁，甚至会发生爆炸。
中子慢化方面，高温气冷堆采用石墨作为慢化剂，由于具有对中子吸收少、放射性强、耐热性优、热传导性好、发生事故时也有助于抑制温度急速上升、热容量大的特性而被使用。另外，也具有中子反射体的作用。压水堆采用水作为慢化剂，由于水具有很高的使中子减速的能力、同时也能作为冷却材而被广泛使用、但是吸收中子的能力也较大。 高温气冷堆比压水堆具有更高的热容量，可以储存大量的衰变热。
此外高温气冷堆在耐震性和自然灾害面前都比压水堆具有更高的可靠安全性。
我司也已于2012年6月份正式取得了国家核安全局颁发的民用核安全设备制造许可证，很期待我司能步入核能制造领域。
2014-03-26 STT袁大雷 东洋炭素
自2011年3月日本福岛核事故之后，全球的核电行业步入严冬，我国也停止了新项目的审批，进行全国性的核电安全大检查。时间步入2012年10月，随着国务院常务会议讨论并通过了《核电安全规划(2011-2020年)》（下称“核安全规划”）和《核电中长期发展规划(2011-2020年)》，标志着我国的核电正式重启，我司承接的国家高温气冷堆示范工程在经历了4年的停顿后，终于也将要再次启动，我司也将正式进入加工制造阶段，也在此浅谈下高温气冷堆及核电厂石墨堆内构件。
核反应堆发展至今，已经经历了四代，第四代核反应堆还没有真正的商业运用，第四代核反应堆的候选堆型有高温气冷堆、超临界水冷堆、熔盐堆、气冷快堆、钠冷快堆、铅冷快堆，其中高温气冷堆具有固有的安全性，是第四代核反应堆的重要候选堆型之一。
高温气冷堆的工作原理是用石墨作为慢化剂，用氦气作为冷却剂（这就是“气冷”），氦气的温度高达800°左右（这就是“高温”）。具体过程是当反应堆内的核燃料进行核反应时，放出中子，速度太快的中子经过石墨碰撞便慢下来（因为在此堆内里只有慢中子才能与铀燃料发生有效反应），以维持核反应。核反应时需要释放出大量的热量，所以用气体（氦）流经堆芯，把热量带到热交换器，再由另一路冷却剂把氦气冷却，降温后的氦气又回到堆芯继续冷却反应堆，形成闭式循环回路。
高温气冷堆分为球床高温气冷堆和柱状高温气冷堆，我国的高温气冷堆是球床堆（图一），在高温气冷堆中，石墨和炭堆内构件是核心部件，我司加工的石墨堆内构件组装后形成一个外围对边长度4.5m，内腔直径3m，高度15.6m的空心桶体结构，称为堆芯腔（图二），构成石墨燃料球的流道，燃料球经上部供求管进入堆芯腔，自上向下流动，燃料球含有核燃料，运行过程中释放大量热量，一个铀原子核裂变释放的能量是碳原子核燃烧释放出来的能量的5×107倍。燃料球的数量较少，在巨大的堆芯腔空间内运动需要载体，纯石墨制不含核燃料的石墨球就充当载体，石墨球直径D60mm，数量较多，和燃料球混合在一起，数量有30多万个。石墨球参与中子慢化过程，用于调节高温堆的反应性，运行过程中由于损耗，体积变小后经底部卸球管流出。石墨堆内构件也形成载热剂氦气的流道，石墨堆内构件上分布有30个冷氦气管道。石墨堆内构件还有一个很重要的作用就是反射中子，在石墨堆内构件外围是含硼的炭砖结构，主要起绝热作用，减弱热中子。
图一 石墨堆内构件实物图
图二堆芯腔中部一段三维图
在高温气冷堆中，石墨是典型的核心部件，主要作用就是慢化和反射中子，慢化和反射中子性能主要取决石墨的纯度和密度。为了提高反射性能，首要的是提高石墨的纯度，以去除高吸收截面的元素，石墨的杂质含量通常用硼当量表示，我司这个项目的石墨硼当量要求是≤0.9ppm。其次是密度，密度越低，慢化能力越差，这次项目用石墨密度需要在1.74～1.82 g/cm³。
之所以说高温气冷堆是第四代核反应堆的重要候选堆型之一，主要是因为高温气冷堆的固有安全性，在耐热性、缓慢的温度变化和化学稳定性上具有压水堆不可比拟优越性。
燃料方面，高温气冷堆采用把包覆燃料颗粒弥散在石墨基体里制成的全陶瓷燃料元件，最高燃料温度为1600℃，平常燃料温度为1300℃左右，而压水堆的采用合金金属包裹的燃料棒，最高燃料温度为2千多度，平常燃料温度为1700℃左右，从燃料方面比较，高温气冷堆比压水堆具有更低的燃料温度。
冷却剂方面，高温气冷堆采用冷氦气制冷，氦是惰性元素，即使高温下与燃料、石墨构件也不发生化学反应。高温的能量能够被冷氦气带出，即使氦气循环结构发生故障不起作用，依然可以通过反应堆容器表面的热辐射及自然对流使反应堆间接冷却。而压水堆中核裂变产生的热能以蒸汽形式被抽出。由于燃料棒的覆层用金属制成以及燃料温度很高，燃料棒必须浸入水中进行冷却，水对压水堆是必须的，一旦没有水来冷却的话，反应堆堆芯就会在高温下熔毁，甚至会发生爆炸。
中子慢化方面，高温气冷堆采用石墨作为慢化剂，由于具有对中子吸收少、放射性强、耐热性优、热传导性好、发生事故时也有助于抑制温度急速上升、热容量大的特性而被使用。另外，也具有中子反射体的作用。压水堆采用水作为慢化剂，由于水具有很高的使中子减速的能力、同时也能作为冷却材而被广泛使用、但是吸收中子的能力也较大。 高温气冷堆比压水堆具有更高的热容量，可以储存大量的衰变热。
此外高温气冷堆在耐震性和自然灾害面前都比压水堆具有更高的可靠安全性。
我司也已于2012年6月份正式取得了国家核安全局颁发的民用核安全设备制造许可证，很期待我司能步入核能制造领域。
