超高温高功率密度的小型气冷堆堆芯方案研究

高温气冷堆作为小型反应堆的技术路线之一,具有模块化设计、固有安全性、热转换效率高等优势,但其功率密度较小、堆芯尺寸较大,不利于系统部署。为此,本文基于改进包覆燃料颗粒的棱柱式弥散燃料元件,并采用控制鼓作为反应性控制方式,提出了一种超高温、高功率密度的小型气冷堆堆芯方案。该堆芯方案体积小于0.8 m 3、体积功率密度可达39 MW/m 3,出口温度高于1200 K。通过RMC程序、Fluent软件分别进行中子学分析和热工分析,数值结果表明该方案合理可行,且具有固有安全性、具备正常停运的功能,同时拥有在15 MW热功率基础上进一步提高运行功率的能力。

超高温气冷堆中间换热器用Haynes 230合金的热拉伸行为研究

利用Gleeble-3500热模拟试验机研究了Haynes 230合金在应变速率为1 s^-1,温度为1000~1250℃时的热拉伸行为。结果表明:在1050~1225℃时拉伸试样断面收缩率≥61.68%,合金具有较好的塑性,在1200℃时塑性最佳;Haynes 230合金在1000~1225℃时的拉伸试样断口均有不同程度的颈缩,随着温度的增加,断口韧窝数量增多、变深,塑性也随之增加。当温度达到1200℃时,塑性最佳,温度继续增加,韧窝数量开始缓慢减少;温度升到1250℃时,为沿晶韧窝断口,塑性急剧下降。合金在1000及1050℃时均未发生明显的动态再结晶,温度升到1100℃时发生了局部动态再结晶,且动态再结晶百分比随温度的增加而增大,温度达到1175℃时,发生完全动态再结晶,温度继续增加,再结晶晶粒不断长大;当温度达到1250℃时,动态再结晶晶粒异常长大。Haynes 230合金在应变速率为1 s^-1时最佳的热加工温度为1175~1225℃。

高温和超高温气冷堆动力转换方案研究

动力转换单元是高温和超高温气冷堆的重要组成部分。本文对高温和超高温气冷堆的动力转换单元进行研究。从4个关键参数(反应堆出口温度、反应堆入口温度、压缩比和主蒸汽参数)入手,对5个循环方案进行比较分析。综合考虑各种工程因素,上位循环为简单氦气透平循环、下位循环为有再热的蒸汽轮机循环的联合循环方案是具有竞争力的,其中下位循环在高温气冷堆范围是亚临界参数循环,在超高温气冷堆范围是超临界参数循环。联合循环可实现高温和超高温气冷堆热量的高效率转化,且反应堆入口温度在反应堆压力壳材料允许的范围内,具有足够的安全性。

我国高温气冷堆发展战略研究

高温气冷堆和在此基础上发展起来的超高温气冷堆是第四代核能系统研发重点的6种堆型之一。本文介绍了高温气冷堆的特点,对高温气冷堆技术在国内外的最新研发进展进行了简要综述,对高温气冷堆的发展定位等问题进行了讨论。在此基础上对我国高温气冷堆发展路线进行了展望。我国高温气冷堆技术历经跟踪、跨越和自主创新,目前在商业规模模块式高温气冷堆核电站技术上处于世界领先地位。在此基础上,我国正在启动部署后续60万千瓦级模块式高温气冷堆核电机组的研发和配套关键技术的攻关工作,以进一步推动高温气冷堆技术的产业化,保持我国在该领域的国际领先优势。

基于超高温气冷堆的氢电联产系统设计分析

超高温气冷堆耦合碘硫循环制氢是一种极具发展前景的核能制氢技术。本文提出了一种基于超高温气冷堆的新型氢电联产系统,采用碘硫循环和氦气透平循环来制氢和发电,建立了能量分析的热力学模型,分析了氦气透平循环总压比和反应堆出口温度对系统性能的影响。然后本文以系统氢电效率最大为目标,在总压比、反应堆入口温度、系统净输出功等参数的约束条件下,对系统进行关键参数优化,并分析了反应堆出口温度对优化结果的影响。结果表明:950℃、1000℃、1050℃三种反应堆出口温度下,建议的氦气分流比控制范围分别为0.031~0.750、0.112~0.750、0.181~0.750,对应的产氢率变化范围分别为17.4~295.6 mol·s^(-1)、61.4~298.0 mol·s^(-1)和96.5~299.8 mol·s^(-1)。

超高温气冷堆中间换热器用Inconel 617B合金传热管的组织及性能

采用真空感应(VIM)+真空自耗(VAR)+热挤压工艺制造出Inconel 617B合金荒管,经过多道次冷轧及热处理研发出19 mm×2 mm的传热管,对其表面质量、尺寸精度、化学成分、组织及性能等进行了检验。结果表明:Inconel 617B合金传热管表面质量良好,尺寸精度高;合金中各元素含量适中,传热管基体为奥氏体等轴晶,平均晶粒尺寸约为73. 41μm,晶粒度约4. 3级,晶内存在富Cr、Mo的碳化物,晶界存在富Cr、Ni的碳化物;传热管的力学性能、工艺性能、耐晶间腐蚀性能优良。研发出的Inconel 617B合金传热管表面质量、尺寸精度、化学成分、组织及性能等均满足其使用要求。

HTR-10超高温运行堆芯温度场分析

10 MW高温气冷实验堆(HTR-10)在额定工况下满功率稳态运行时,燃料的温度裕度较大,存在将冷却剂出口温度在700℃的基础上进一步提升的潜力,对实现球床式高温气冷堆超高温运行具有重要意义。该文根据堆芯发热功率和冷却剂载出热量之间的平衡关系,为HTR-10设计了多个稳态超高温运行工况,运用改进的热工模型分析了初装堆芯下各工况的堆芯温度场,给出其分布特征,并讨论了燃料分布不均匀性对堆芯最高温度的影响。结果表明:当堆芯出口冷却剂温度达到1000℃,且假设最高温度区燃料球和石墨球分布的不均匀程度达到极限时,堆芯最高温度仍未达到燃料温度限值。

确定GH3128高温拉伸性能设计许用值的方法

国产高温镍基合金GH3128在高温条件下具有良好的强度,有望成为超高温气冷堆(VHTR)供热和发电利用的中间换热器(IHX)的主要结构材料。该文针对美国机械工程师协会(ASME)高温强度许用值设计标准应用于GH3128时无法给出清晰一致有效设计余量的不足,采用正态分布直接计算的方法给出了容限范围母体比例为99%的设计许用值曲线,并同ASME设计标准给出的设计许用值曲线进行了对比。结果表明:容限范围母体比例为99%的设计许用值曲线可以在整个温度区间连续给出可靠的设计许用值以及一致有效的设计余量,可以作为高温气冷堆中间换热器结构设计的参考依据。

GH3128高温拉伸强度设计方法的优化

国产镍基高温合金GH3128在高温下具有良好的强度,有望成为超高温气冷堆(very high temperature reactor,VHTR)核心部件中间换热器(intermediate heat exchanger,IHX)的主要结构材料。该文针对美国机械工程师协会(American Society of Mechanical Engineers,ASME)标准应用于GH3128时无法在全温度段得到一致可靠设计余量的不足,采用正态分布直接计算的方法,通过整体多项式、分段多项式以及分段指数这3种拟合方式,对拉伸性能设计许用值进行了计算。分析结果表明:针对现有的GH3128拉伸性能数据,应分别采用分段多项式拟合及分段指数拟合来求抗拉强度和屈服强度的设计许用值,并且这种方法给出的设计许用值曲线可以在全温度区间给出一致可靠的设计余量,可作为超高温气冷堆中间换热器结构设计的参考依据。