第六章 高温气冷堆
高温气冷堆的特点
高温气冷堆的特点高温气冷堆（High Temperature Gas-cooled Reactor，HTGR）是一种利用气体作为冷却剂和工质的核电反应堆。
它具有许多独特的特点，使其成为目前研究和开发的热点。
首先，高温气冷堆具有高温工质。
其出口温度可达到800℃以上，远高于传统水冷反应堆的温度。
这种高温工质使得高温气冷堆具有更高的热效率，从而提高了能源利用率。
此外，高温工质还具有一定的热储存能力，可以在需求峰值时释放储存的热能，满足热能需求。
其次，高温气冷堆具有固态燃料。
与传统的液态燃料相比，固态燃料具有更高的热效率和更低的安全风险。
固态燃料不易泄漏，且燃料粒子更易于密封和控制。
此外，固态燃料具有更高的燃烧温度和更低的熔点，使其更加适合高温气冷堆的运行。
第三，高温气冷堆具有气冷循环系统。
传统的水冷反应堆依赖于水冷却剂来带走核反应堆产生的热量。
而在高温气冷堆中，气体是冷却剂和工质，不但可以有效地冷却反应堆，还可以通过燃气涡轮机转换热能为电能。
这种气冷循环系统不仅避免了水蒸汽泄漏和腐蚀等问题，还提高了能量转换效率。
第四，高温气冷堆具有更高的安全性。
由于高温气冷堆采用了固态燃料和气冷循环系统，不存在水蒸汽爆炸和核泄漏等传统核电反应堆常见的事故风险。
此外，高温气冷堆还具有自动衰变热分散和机械停堆等安全特性，可以有效地降低事故风险。
高温气冷堆也是一种固定床反应堆，核燃料颗粒被完全包裹在球状燃料颗粒堆中，有利于减少放射性物质的扩散和释放。
第五，高温气冷堆具有多能级应用优势。
由于其高温工质和固态燃料的特点，高温气冷堆可以广泛应用于电力、石化、冶金、化工和航天等领域。
例如，高温气冷堆可以用来产生高温高压的蒸汽，用于发电和工业生产；还可以通过高温换热器提供工业或城市的热水和蒸汽供应。
最后，高温气冷堆具有较长的运行寿命。
由于固态燃料和气冷循环系统的采用，高温气冷堆的燃料更易于密封和控制，反应堆更易于维护和远程管理。
这使得高温气冷堆具有更长的运行寿命和更低的维护成本。
高温气冷堆热循环方式
带回热的间接循环
间接循环中间多了一 个换热器（IHX）将一 回路系统和二回路系 统分开，间接循环有 闭式和开式两种循环 方式，闭合循环二回 路热力过程与直接循 环完全一致，而开式 循环则减少了预冷器， 闭式循环可以选用氮 气和氦气，而开式循 环只能选择空气。
高温气冷堆热循环方式
氦气透平的发展及未来
直接联合循环
• 6.9MPa的900℃高温氦气先驱动一个氦气压 缩机透平，带动同轴的压缩机，再驱动主 发电氦气透平，向外输出电力。出口的氦 气再通过一直流蒸气发生器，加热另一侧 的水，使之产生蒸汽。产生的蒸汽推动蒸 汽透平发电机，向外输出功率。氦气经直 流蒸气发生器后由压缩机加压到7.0MPa， 183℃，回到堆芯入口。该系统的氦气透平 和蒸汽透平联合循环发电效率可达48%。
这个循环系统的主要优点：不需要采用 高效回热器，避开了一个技术难点。但 是，由于采用氦气蒸汽联合循环，增加 了系统的投资成本，故不能排除堆芯进 水事故的可能性。
间接联合循环 • 反应堆出口的900℃高温氦气经 过中间热交换器(加热二次侧的 氮气)，冷却到300℃，再经过氦 风机回送到堆芯的入口。二次侧 的氮气经中间热交换器加热到 850℃，实现气体透平和蒸汽透 平的联合循环。该循环的发电效 率为43.7%。
高温气冷堆的工作原理
高温气冷堆的工作原理
高温气冷堆作为重要的储能设备，其原理比较简单，但是由于它的性能特性，在大量能源相关的领域有着广泛的应用，因此本文将主要介绍其工作原理。
高温气冷堆的基本原理是将气体压缩到一定温度和压力，从而形成为热力学的低温或高温区域。
当气体进行低温压力膨胀时，释放热量，而当它经过高温压力缩凝时，则贮存热量。
这样一来，在一定热能互换系统内，可以实现气体在低温方面扩散热量，而在高温方面贮存热量，从而形成气体可以为热力机械发电产生能量。
当高温气冷堆处于充电状态时，将气体通过压缩机(compressor)压缩到某一设
定的高温高压，接着气体流向加热(heat)器，最后在冷凝(condenser)器内实现溶液
的热贮FM的的工作原理，使得气体与热热机的耦合发挥着作用，从而产生可用能。
而放电状态下，气体将从冷凝器出发，经过溶液膨胀阀，最后进入膨胀器，完成气体的低温膨胀，释放热量，此时气体经过冷却器冷却，压力降低，气体排出到大气中，一定的热量被用于机械发电机的发电。
以上就是高温气冷堆的工作原理。
它通过改变气体的温度和压力，并配合加热和冷却装置，实现“热量的迁移”，达到热力发电的效果，给航空航天、船舶工程、核能、石油化工等诸多领域带来了极大的变革。
高温气冷堆
高温气冷堆高温气冷堆来源：中国核电信息网发布日期：2009-07-06【英文名】：high temperature gas cooled reactor用氦气作冷却剂，出口温度高的核反应堆。
高温气冷堆采用涂敷颗粒燃料，以石墨作慢化剂。
堆芯出口温度为850~1000℃，甚至更高。
核燃料一般采用高浓二氧化铀，亦有采用低浓二氧化铀的。
根据堆芯形状，高温气冷堆分球床高温气冷堆和棱柱状高温气冷堆。
高温气冷堆具有热效率高(40%~41%)，燃耗深(最大高达20MWd/t铀)，转换比高(0.7~0.8)等优点。
由于氦气化学稳定性好，传热性能好，而且诱生放射性小，停堆后能将余热安全带出，安全性能好。
【实际应用】10兆瓦高温气冷实验堆：在国家"863"计划的支持下，自上世纪八十年代中期，我国开展了10MW高温气冷实验堆的研究、开发，于2000年12月建成临界，2003年1月实现满功率并网发电，我国对高温气冷堆技术的研发取得了突破性成果，基本掌握了核心技术和系统设计集成技术。
这一科技成果在国内外引起广泛的影响，使我国在高温气冷堆技术上处于国际先进行列。
2006年1月，国务院正式发布的"国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006--2020年)"中，将"大型先进压水堆和高温气冷堆核电站示范工程"列为国家重大专项。
第四代先进核能系统近年来，国际上提出了"第四代先进核能系统"的概念，这种核能系统具有良好的固有安全性，在事故下不会对公众造成损害，在经济上能够和其它发电方式竞争，并具有建设期短等优点，高温气冷堆是有希望成为第四代先进核能系统的技术之一。
我国高温气冷堆的研究发展工作始于70年代中期，主要研究单位是清华大学核研院。
值得一提的是，建成的首座高温气冷堆的压力壳直径4.7米，高12.6米，重150吨，是我国自己设计和制造的迄今体积最大的核安全级压力容器。
高温气冷堆的工作原理
高温气冷堆的工作原理高温气冷堆的工作原理高温气冷堆（High-Temperature Gas-Cooled Reactor，简称HTGR）是一种基于气冷技术的新型核反应堆。
相比传统的水冷堆，高温气冷堆具有更高的温度和更高的燃烧效率，同时还具备较高的安全性和可靠性。
本文将详细介绍高温气冷堆的工作原理。
高温气冷堆的核燃料是以富集铀或钚等核材料制成的小型球体，被称为“球形颗粒堆”，这些颗粒由包层材料包围，形成可在高温下工作的燃料元件。
燃料元件堆叠在一起形成一个燃料堆芯。
在堆芯外部，布置有气体冷却剂，通常使用大气中常见的氦气作为冷却剂。
由于氦气无毒、无腐蚀性、低密度等特点，使得高温气冷堆具备了较高的安全性和可靠性。
高温气冷堆的工作过程包括燃料核裂变产生热能、热能转化为动能、动能转化为电能等多个步骤。
首先，燃料堆芯中的核燃料颗粒发生裂变反应，产生大量的热能。
这些裂变反应会持续引发新的核裂变反应，使得燃料堆芯内的温度升高。
然后，燃料堆芯内的热能会传导到燃料元件表面的包层材料中。
包层材料具有较低的热导率，能够有效地阻止热能向外传递，使得燃料堆芯温度不断上升。
接下来，燃料堆芯外的氦气冷却剂会通过管道进入堆芯内，吸收燃料元件表面的热能。
在这个过程中，氦气会被加热，温度逐渐升高。
随后，加热后的氦气会流出堆芯，通过热交换器与其他工质进行热交换。
热交换器中的工质（通常是水）会受热变成蒸汽，然后推动涡轮发电机转动，将热能转化为动能。
最后，动能通过涡轮发电机转化为电能。
这样，从核裂变产生的热能最终转化为了实用的电能。
高温气冷堆的这一工作过程具备多重安全性措施。
首先，堆芯材料和冷却剂均为无毒无腐蚀性材料，避免了放射性物质泄漏和腐蚀问题。
其次，高温气冷堆具有自动关闭和冷却功能，一旦超温或故障发生，系统会自动停止工作并冷却下来。
此外，高温气冷堆还具备较高的热效率，能够更好地利用燃料资源，减少对环境的影响。
综上所述，高温气冷堆是一种基于气冷技术的新型核反应堆。
高温气冷堆技术研究
高温气冷堆技术研究一、综述高温气冷堆（High Temperature Gas-Cooled Reactor，HTGR）是一种基于氦气作为冷却剂，球形燃料颗粒构成燃料元件，使用含有放射性210Pb和226Ra的天然矿石球团体作为反应堆壳的中子反射层的一种核反应堆。
由于其独特的设计和系统性能，HTGR 已经成为当前核电技术研究的热点之一，具有开发和推广的潜力。
本文将在深入分析HTGR技术原理的基础上，对不同类型的HTGR技术进行研究论述和探讨。
二、技术原理1.堆芯设计HTGR堆芯设计一般采用球形燃料颗粒构成燃料元件，燃料颗粒由内而外分布不同结构，包括燃料核心、内降温层、内热输出层、外降温层和外热输出层五个部分。
燃料元件都串联在控制棒组、反应堆内壳、中子反射层和球壳之间，构成了HTGR的正常燃料链。
2.冷却剂拥堵特性HTGR使用氦气作为冷却剂，其特性是高热传导、惰性和透明，对于核燃料具有优异的散热性和防护性能，在HTGR的设计和控制中发挥了重要的作用。
HTGR 氦气冷却系统的主要功能是通过散热管式燃料元件的外壳和头部将热量传递到冷却剂中，而氦气冷却通过各种机制保证在一定范围内的温度水平来有效地控制燃料和减轻设备运行过程中的冷却剂拥堵。
3.安全特性HTGR对安全性的关注已经在其设计和应用阶段中进行了鉴定和评价。
HTGR通过基础防线和二次防线两种符合原则和目的的安全机制来保证其安全性能。
基础防线工作原理是在堆芯内部设计足够的容量来保证对堆芯内部故障的快速响应和封堵，而二次防线的目的是在基础防线封闭之前保证超额保护能力。
三、技术类型1.复合型复合型气冷堆用于煤制气合成，采用下列动力学模拟方法，在反应器水平开堆模式下，达到化学品的高度稳定的水平：1) 分层模拟：通过解决运动方程和固定基本参数来进行模拟。
2) 长程热效应模拟：通过区分化学反应机理，通过 MATLAB 来进行模拟。
3) 质量传递模拟：通过分析气固反应的动力学过程，来达到气体的质量传递。
高温气冷堆原理
高温气冷堆原理高温气冷堆（HTGR）是一种新型的核能反应堆，其核心原理是利用高温气体来驱动温度较高的热交换器，并产生高温蒸汽以供发电或其他应用。
HTGR是目前最具有发展潜力和安全可靠性的核能反应堆之一，本文将重点介绍其原理和应用。
高温气冷堆主要由燃料元件、反应堆压力容器、热交换器、气轮机以及辅助系统组成。
燃料元件是核反应的关键部分，它通常由燃料微球组成，每颗微球都包裹在一个由防腐蚀材料制成的包层中。
这种设计可以提高堆芯的安全性，并降低核燃料的溶解和泄露的风险。
在高温气冷堆中，燃料微球被装载在一系列的蜂窝状燃料矩阵中，形成一个核反应区。
当中子被释放并与燃料微球进行碰撞时，会引发核裂变反应，释放出大量的热量。
这些高温气体通过热交换器传递给工作介质，并进一步驱动气轮机发电。
热交换器是高温气冷堆的核心部件之一，它能够有效地传递燃料中释放出的热量，并将其转化为可以用于发电的热能。
热交换器通常采用管壳式结构，其中高温气体通过壳侧传递，而工作介质则通过管侧传递。
通过这种方式，高温气体的热能能够直接传递给工作介质，从而实现高效率的能量转换。
气轮机是高温气冷堆发电系统的关键组件，它将通过热交换器传递给工作介质的热能转化为电能。
在气体进入气轮机之前，通常会经过多级压缩，以提高气体的压力和温度。
当气体进入气轮机后，叶片会受到气流的推动而旋转，从而带动发电机产生电能。
由于高温气冷堆运行时产生的气体具有较高的温度和压力，因此可以实现高效率的发电。
高温气冷堆除了可以用于电力发电之外，还可以通过热解过程产生氢气。
热解是将高温气冷堆的高温气体通过特定的催化反应转化为氢气的过程。
这种方式不仅可以提高氢气的产量，而且还可以将高温气冷堆的热能充分利用，实现能源的高效转换。
高温气冷堆具有多种优点和应用前景。
首先，高温气冷堆的燃料元件可以高效地防止核燃料的溶解和泄露，因此具有很高的安全性。
其次，高温气冷堆能够产生高温的热量，可以广泛应用于化学工业、石油加工和其他高温要求的工业领域。
高温气冷堆的原理
高温气冷堆的原理高温气冷堆是一种先进的核能发电技术，它能够通过气体冷却来驱动和冷却核反应中的燃料。
相比于传统的水冷堆，高温气冷堆具有更高的工作温度，更高的热效率以及更强的安全性能。
本文将详细介绍高温气冷堆的原理。
首先，高温气冷堆的核心部分是核燃料。
核燃料一般选择铀或钍等放射性元素，通过核反应产生的热能来驱动发电机组发电。
而与传统的水冷堆不同，高温气冷堆采用气体冷却介质，例如气体冷却堆可以使用氦气，氦气作为冷却介质能够在高温下具有很好的热导性能，并且不易发生化学反应。
其次，高温气冷堆的核反应基于核裂变原理。
核裂变是指将重核（例如铀、钍）撞击中子后裂变成两个或多个轻核的过程。
核反应发生时，会释放出大量的能量。
在高温气冷堆中，裂变产生的热能被传递给气体冷却剂，通过气体冷却剂暖气器传递给热交换器或直接用于发电。
第三，高温气冷堆中的热交换器是实现热能转换的关键。
热交换器一般由管子组成，通过管道内的气体冷却剂与裂变燃料之间的热传递，将高温气体中的热能通过换热传递给工作介质，例如用于蒸汽发电的水。
通过这种方式，可以将核反应释放的热能高效地转化为电能。
此外，高温气冷堆的安全性能也值得关注。
高温气冷堆采用气体冷却剂，相比水冷堆而言，气体冷却剂更不易发生蒸汽爆炸等事故，避免了放射性物质的泄漏和生态环境的影响。
而且，高温气冷堆通过设计安全堆芯结构和控制系统，能够自动响应异常情况，使堆芯安全地关闭。
最后，高温气冷堆的优势不仅体现在高效能转换和安全性上，还可以用于热利用，使核能发电进一步提高经济效益。
高温气冷堆的高温热能可以用于工业生产过程中的蒸汽供应、海水淡化、油砂开采等，进一步满足社会需求。
总的来说，高温气冷堆是一种既高效又安全的核能发电技术。
通过核裂变原理和气体冷却介质的选择，高温气冷堆能够实现核能的高效转化，并且具有更好的安全性能。
随着科技的不断进步，高温气冷堆必将在未来的核能发电领域发挥重要作用。
高温气冷堆 原理
高温气冷堆原理
高温气冷堆是一种能够产生高温热能并以气体冷却工质的核能反应堆。
其原理主要包括燃料选择、反应堆结构和冷却循环三个方面。
首先，高温气冷堆可以选择不同类型的燃料。
目前常用的燃料有两种：一种是铀-235（U-235），另一种是钚-239（Pu-239）。
这两种材料都是裂变反应的燃料，能够释放大量的能量。
铀-235是天然存在的，而钚-239则是通过将铀-238转化而来的。
燃料选择的关键是考虑到材料的丰富度、易获得性和裂变性能。
其次，高温气冷堆的反应堆结构也非常重要。
通常，高温气冷堆采用球堆或柱堆结构。
球堆结构由许多小球形的燃料颗粒组成，这些颗粒被包裹在石墨包层中，形成一个固体球堆。
柱堆结构则是将燃料颗粒混合到石墨粉末中，形成一个石墨柱堆。
反应堆结构的选择基于燃料密度、热扩散性和裂变产物吸收交叉截面等参数。
最后，高温气冷堆的冷却循环也是实现高温处置的关键。
冷却循环通常包括燃料元件、冷却剂、热交换器和功率转化系统等组成部分。
燃料元件是核反应堆中裂变物质的载体，冷却剂则是用来吸收燃料中释放的能量。
热交换器则用来将冷却剂中吸收的能量转移到工作介质中，最终通过功率转化系统将能量转化为电能或其他形式的能量。
这样的循环不仅能够高效地冷却反应堆，还能够利用燃料中的能量产生有用的能源。
总结来说，高温气冷堆是一种能够产生高温热能并以气体冷却工质的核能反应堆。
其原理主要包括燃料选择、反应堆结构和冷却循环三个方面。
通过选择合适的燃料、设计合理的反应堆结构和冷却循环，高温气冷堆能够实现高效的核能利用，为人类提供清洁高效的能源。
高温气冷堆
1.技术简述模块式高温气冷堆按照堆芯结构的特点，可以分为球床堆和棱柱堆两大类型。
球床堆采用球形燃料元件，利用球在反应堆堆芯中的缓慢移动实现不停堆连续换料。
我国高温气冷堆核电站示范工程（HTR-PM）球形燃料以二氧化铀为核芯，外面包覆热解碳和碳化硅层，形成0.92mm直径的包覆颗粒燃料。
大约12000个包覆颗粒燃料与石墨一起被填充在1个直径60mm的燃料球中。
☝ HTR-PM球形燃料元件结构反应堆堆芯中大约有4.2×105个燃料球，直径为3m，高为11m。
堆芯周边的反射层是耐高温的石墨。
冷却剂氦气从反应堆顶部流过堆芯，然后通过一个内衬保温材料的同轴双层连接结构，流到一个和反应堆肩并肩布置的蒸汽发生器。
☝模块式高温气冷堆的一个反应堆模块冷却后的氦气由布置在蒸汽发生器壳顶部的氦气循环风机加压后通过同轴连接结构的外层流回反应堆，形成一个封闭的反应堆——回路循环。
新燃料元件由顶部装入堆芯，从底部卸料管卸出。
卸出的燃料元件如果未达到预定的燃耗深度，则再送回堆内使用。
一个反应堆和一台蒸汽发生器构成了一个高温气冷堆反应堆模块。
在中国的200MWe HTR-PM中，每个反应堆模块热功率为250MWt。
HTR-PM设计有2个模块，向1台蒸汽轮机供应蒸汽，发电功率为210MWe。
3.HTR-PM工程的考验HTR-PM的核心设备及系统可归纳为九大设备和系统：反应堆压力容器、主氦风机、蒸汽发生器、堆内金属构件、控制棒、吸收球、燃料装卸、氦净化和乏燃料储存，其中大多数为世界首台（套）。
HTR-PM工程于2012年12月9日正式开工，核岛浇筑第一罐混凝土。
2015年现场土建工程全部完成，厂房封顶，设备开始入场安装和调试。
在清华大学建成了年产1×105球的中试生产线，完成了生产设备和工艺定型。
商业规模年产3×105球的球形燃料元件商业化生产厂在内蒙古包头市中核北方核燃料元件有限公司进行建设，2013年3月开工，2016年8月开始正式生产。
高温气冷堆工作原理
高温气冷堆工作原理高温气冷堆（High Temperature Gas-cooled Reactor，简称HTGR）是一种新型的核能反应堆。
它采用高温气体（一般是钍气）作为冷却剂，具有高温、高效、安全等特点。
本文将详细介绍高温气冷堆的工作原理。
首先，高温气冷堆的核燃料是固体球形燃料颗粒，通常由含有丰富的铀和稳定柄的颗粒组成。
这些燃料颗粒被分布在一种称为石墨反堆的材料中，形成了燃料元件。
每个燃料元件中都包含数千个燃料颗粒。
在高温气冷堆中，钍气用于冷却和传热。
钍气在堆芯中通过各个燃料元件，从而冷却燃料和抽取热量。
钍气的高温状态使其能够吸收大量的热量，并将其带走。
当核燃料引发裂变反应时，将产生大量的热量。
这些热量通过与钍气的热交换，使钍气得热，同时冷却燃料元件。
具体来说，燃料元件内的燃料颗粒经历裂变释放能量，温度升高。
热量通过石墨和燃料颗粒间的导热效应传递给石墨反堆，再通过石墨反堆表面和钍气之间的对流传递给钍气。
冷却的钍气在热交换器中释放热量，并将其转移到传统蒸汽发生器中的工作流体（通常是一种二次冷却剂）。
从而产生高温高压的蒸汽，用于驱动汽轮机产生电力。
值得一提的是，由于高温气冷堆的高温特性，其产生的蒸汽温度可以达到1000°C以上，较传统核电站更高，能够提高发电效率。
为确保高温气冷堆的安全运行，存在多个被动安全措施。
首先，钍气在高温下仍能保持气态，避免液态冷却剂溅出故障。
其次，钍气的高腐蚀性可避免与燃料和石墨材料发生剧烈的化学反应。
此外，高温气冷堆采用堆芯温度控制措施，通过改变钍气的流量和速度来控制冷却效率，保持合适的温度。
在异常情况下，HTGR会自动停堆，避免事故发生。
高温气冷堆具有多个优点。
首先，它的高温特性使其在热利用方面具有巨大潜力。
热高温气冷堆产生的热量可用于工业过程、氢燃料制备、脱盐等领域的热能需求。
其次，高温气冷堆的固体燃料颗粒设计提供了更高的裂变产物保留能力和耐久性。
此外，高温气冷堆的安全性高，无需额外的冷却水，减少了对水资源的依赖。
高温气冷堆物理设计
物理设计高温气冷堆（high temperature gas-cooled reactor，HTGR）用化学惰性和热工性能良好的氦气作为冷却剂，石墨作为反射层、慢化剂和堆芯结构材料，采用包覆燃料颗粒弥散在机体中的全陶瓷型燃料元件，使堆芯氦气出口温度850—1000℃，甚至更高。
高富集度的氧化铀或碳化铀等陶瓷材料作燃料。
铀燃料被分成为许多小的燃料颗粒，每个颗粒外包覆了一层低密度热介碳，两层高密度热介碳和一层碳化硅。
包覆颗粒直径小于1mm，包覆颗粒燃料均匀弥散在石墨慢化材料的基体中，制造成直径为6cm的球形燃料元件。
高温气冷堆（high temperature gas-cooled reactor，HTGR）用化学惰性和热工性能良好的氦气作为冷却剂，石墨作为反射层、慢化剂和堆芯结构材料，采用包覆燃料颗粒弥散在机体中的全陶瓷型燃料元件，使堆芯氦气出口温度850—1000℃，甚至更高。
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。
核反应时要释放出大量的热量，如果不把热量带走，就会烧毁反应堆，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。
经济性设计高温气冷堆的经济性由以下几个方面保证：⑴系统简化①反应性控制由于球床高温气冷堆采用球形燃料,可以采用重力流动和气力输送的方式实现运行状态下的连续装卸料，因此仅留有1.5 %剩余反应性用于功率调节。
如此低的过剩反应性控制只需用控制棒即可。
②压力调节在运行条件下,氦冷却剂仅以气相存在,不会发生相变。
通过压缩机对一回路内氦存量进行吞吐，即可对一回路的压力进行调节。
③专设安全设施高温气冷堆在极端事故即冷却剂完全流失、主传热系统功能丧失的条件下，仍能保证堆芯燃料的最高温度低于1600℃的设计限值,从而基本上排除堆芯熔化的可能性，使专设安全系统大为简化。
06高温气冷堆
我们通常把五、六十年代建造的验证性核电站称为第一代；70、80年代标准化、系列化、批量建设的核电站称为第二代；第三代是指9 0年代开发研究成熟的先进轻水堆；第四代核电技术是指待开发的核电技术，其主要特征是防止核扩散，具有更好的经济性，安全性高和废物产生量少。
第四代核反应堆的六个构型中，就有高气冷堆，这是一个很有前途的方案，现行的高气冷堆有两个流派：石墨球床和柱状燃料的，前者的使用者是中国和南非，后者是美、俄和日本喜欢的，这里着重说一下我国的石墨球床堆电厂的技术特点。
石墨球床堆也叫卵石堆，最早是德国在本世纪60年代建成了原理堆，由于技术和需求的限制，30年没有大的发展，直到上个世纪90年代，国际能源危机的压力日趋严重，南非和中国先后开始了对这一技术的现代化研究和实用化探索，分别是南非国营电力设计的PBMR （400MW热功率）和中国原子能技术研究院设计的HTR-PM（460 MW）。
两者的设计都已经基本完成，其间中国完成了清华大学10 Mw原理堆（HTR-10）的建造和运行工作，HTR-10已经并网多时了。
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3：发电机组，把冷却回路中的热量通过汽轮机的方式转换成电能。
先说说燃料组件，石墨球床气冷堆的燃料组件大大不同于传统的核燃料组件，你可以把它看成一个西瓜，外壳是硬化的石墨材料，相当于西瓜皮，里面是稍微松散的石墨填料，相当于西瓜瓤，在西瓜瓤里均匀分布着一些以UO2为主要成分的西瓜子，这就是真正的核燃料颗粒，顺便说一下，这个瓜子有个用陶瓷做的瓜子壳，而UO2则相当于瓜子仁。
高温气冷堆的工作原理
高温气冷堆的工作原理
高温气冷堆（HTGR）是一种新型的核反应堆，其工作原理是利用高温气体作为冷却剂，将核能转化为热能，然后再将热能转化为电能或其他形式的能量。
首先，高温气冷堆的工作原理是基于核裂变反应。
在高温气冷堆中，燃料元素中的核燃料（如铀、钚等）经过裂变反应释放出大量的热能。
这些热能会使得燃料元素的温度升高，同时也会使得冷却气体（如氦气）的温度升高。
其次，高温气冷堆利用高温气体作为冷却剂。
在高温气冷堆中，燃料元素周围的高温气体被用来带走燃料元素释放的热能，同时也带走了裂变反应产生的中子。
这些高温气体在带走热能和中子后，会通过热交换器将热能传递给工质（如水蒸气），从而产生蒸汽驱动涡轮发电机产生电能。
最后，高温气冷堆将热能转化为电能或其他形式的能量。
通过热交换器，高温气体的热能被传递给工质，使得工质产生高温高压的蒸汽。
这些蒸汽驱动涡轮发电机转动，最终产生电能。
除了产生电能外，高温气冷堆还可以利用热能进行其他形式的能量转化，如用于工业生产、城市供热等。
综上所述，高温气冷堆的工作原理是利用核裂变反应产生的热能，通过高温气体作为冷却剂将热能转化为电能或其他形式的能量。
这种工作原理使得高温气冷堆成为一种高效、安全、清洁的能源转化方式，具有广阔的应用前景。
第六章 高温气冷堆
动力工程学院核能工程系
3. 高温气冷堆－实验堆 英国1960年建造20MW试验堆“龙堆”(Dragon)。 美国1967年建成40MWe桃花谷(Peach Bottom)实验堆。 德国1967年建成15MWe的球床高温气冷堆(AVR)， 并发展了具有自己特色的球形燃料元件和球床高温堆。 这三座实验堆的成功运行，证明了高温气冷堆在技 术上是可行的。
动力工程学院核能工程系
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高温堆固有安全性 负温度系数大；在任何 情况下能自动停堆。 功率密度低（5-10 kW/L),热容量大，热稳 定性高。但堆芯相对大。 失冷时，余热可靠导热、 辐射及自然对流排出。 元件低于1600⁰C的限值。 在任何运行和事故情况 下不会发生严重事故。
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高温气冷堆－设计概念的提出
1944 / USA
Daniels‘
SECRET REPORT
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HTR PEBBLE PILE
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高温气冷堆发展历史 气冷堆是反应堆发展史上最早的堆型
烟囱 空冷器 水箱
腔室混凝土
堆芯
表面冷却系统
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高温堆基本特点 氦气作冷却剂 石墨作慢化材料 球形燃料元件 全陶瓷堆芯结构 连续装卸燃料 非能动余热排出 无应急冷却系统 模块化建造
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HTGR主要关键技术
1. 高燃耗的颗粒核燃料元件的制造和辐射考 验； 2. 高温高压氦气回路设备的工艺技术问题。
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全陶瓷堆芯结构
堆芯石墨结构
高温气冷堆
现在 公 众 的视 野 中。 它到底是 洪水猛兽 ， 是环 保 的 高 还 效 能 源？ 类是 否 有 能力安 全利 用复 杂 的原子 能 ？富有 人
科 技 新 闻
高温气 冷堆
高温 气冷 堆 ， 通俗 地说 ， 应 堆 就是 “ 反 原子 锅 炉 ” 是 ，
挑 战 性却 又 不 能不 回答 的 问题 摆 在 了人 们 面前 。 高温 气冷 堆 作 为 国际核 能界公 认 的 具有 固有 安全 特 性 的 堆
型进 一步 受到人 们 的 关注 。
能加 以利 用 。
从 ２ 世纪 ８ ０ ０年代开始 ， 就梦想着能研究 出具有 固有安
全性 ， 能够提 供 高温热 能 的先 进核 反 应 堆 ， 在 由 中 并 现
国人 第一 个走 上 了建设 商 业 示范 电站 的 阶段 。” 而 ， 然
一切 并没有他 们希 望 的那 Nhomakorabea么顺利 ， 突如 其 来的福 岛核 危
在 ２１年“ ０ １ 两会” 间（ 岛事故之前 ） 中核建的 期 福 ，
相 关 负责人 还 曾告 诉本 报记 者 ， ３月底 ４月初 石 岛 湾项 目将 正式 开工 建设 。确 实 ，０ １ ３月 １日， ２１年 国务 院批
准 了石岛湾核 电站的建设。但是福 岛核事故之后 ， 如大
多数 核 电站 项 目进 入 等待 中一样 ， 岛湾核 电站 的 建设 石
通 过控 制核 燃 料 的反应 来 产生原 子 能的 装置 。通 常 ， 反 应 堆 的核 燃料 是 铀 ２５ 在 中子 的作 用下 能 够产 生核 裂 ３， 变。 一个铀 ２ ５原 子核 吸收 一 个 中子 以后 ， 分裂成 两 ３ 会
高温气冷堆特点
高温气冷堆特点高温气冷堆（High-temperature gas-cooled reactor, HTGR）是一种与传统核反应堆设计截然不同的核能技术。
其独特的特点使其在许多领域具有广阔的应用前景。
本文将重点介绍高温气冷堆的特点以及其在能源、环境和工业领域的潜在应用。
1. 高温运行：高温气冷堆具有非常高的工作温度，通常在700度以上。
相比之下，传统的液体冷却堆的工作温度一般在300度左右。
高温操作有助于提高热效率，并且可以为其他工业过程提供高温热能。
例如，高温气冷堆可以用于发电、水热解制氢和其他高温化学过程，进一步推动绿色能源和可持续发展。
2. 安全性：高温气冷堆具有优良的核安全特性。
由于其独特的设计，HTGR可以以天然的方式实现负反馈，即在异常情况下，反应堆的功率会自动降低。
此外，高温气冷堆使用了固体燃料球，这种设计可以防止核燃料的泄漏和融化，并且使堆芯更加稳定和耐用。
3. 资源利用：高温气冷堆可以利用多种燃料形式，包括天然铀、钚等。
同时，它还可以利用废弃核燃料和核废料作为燃料源。
这种资源利用的特点使得高温气冷堆成为核能领域的重要技术，有助于解决核废料处理和核燃料供应的问题。
4. 环境友好：相比传统的液体冷却堆，高温气冷堆具有更低的环境风险。
高温气冷堆使用气体作为冷却介质，不涉及与水相关的安全隐患，减少了核能发电对水资源的依赖。
另外，高温气冷堆的燃料球是固体的，可以防止核燃料的泄漏和废核燃料的再处理。
5. 应用领域的多样性：高温气冷堆具有广泛的应用前景。
其中一个重要领域是发电。
高温气冷堆可以通过直接或间接的方式产生高温蒸汽，驱动涡轮发电机发电。
此外，高温气冷堆还可以为工业过程提供高温热能，如水热解制氢、合成氨和化学工业的过程。
此外，高温气冷堆还可以应用于石油精炼、有色金属冶炼和化工等领域，提供高温热能。
6. 市场潜力：随着对清洁能源的需求逐渐增加，高温气冷堆作为一种可持续发展和环境友好的能源选择，具有广阔的市场潜力。
高温气冷堆制氢原理
高温气冷堆制氢原理高温气冷堆制氢原理引言：随着能源需求的不断增长和环境问题的日益严重，如何高效地生产清洁能源已经成为全球范围内的重要课题之一。
氢能作为一种清洁、高效、可再生的能源，备受科学家和工程师的关注。
高温气冷堆（HTGR）使得制氢成为可能，因为它具备了高效利用核能和供氢的双重功能。
本文将介绍高温气冷堆制氢的原理和工作方式，并探讨其在氢能产业中的应用前景。
一、高温气冷堆的基本原理高温气冷堆（HTGR）是一种核反应堆，其具有使用高温准固体颗粒燃料和气体冷却剂的特点。
相较于传统的水冷堆，HTGR在核燃料选择、温度控制和安全性方面都有较大的优势。
在HTGR中，燃料颗粒由核燃料和包裹材料组成，通过高温气体冷却剂进行热交换。
高温气体冷却剂经过堆芯后，会达到很高的温度，可用于生产高温热能或进行氢气制备。
二、高温气冷堆制氢的工作原理高温气冷堆制氢的工作原理是通过核反应堆内的裂变过程产生的高温热能，将水蒸气分解为氢气和氧气。
具体而言，高温气冷堆首先需要从外部提供一定的热能，以使其达到足够高的温度。
这种热能可以通过核燃料的裂变过程产生，也可以通过其他的热能来源供给。
在高温气冷堆内，由于高温气体冷却剂所具备的特性，使得其在堆芯中的温度保持在较高水平。
当高温气体冷却剂经过堆芯时，与燃料颗粒进行热交换，将燃料颗粒中的热能转移到冷却剂中。
高温气冷堆制氢的关键过程是高温水蒸气的分解反应。
高温气体冷却剂中的热能通过传热作用使得水蒸气的温度升高。
当水蒸气的温度升高到一定程度时，其分子内部的化学键能被打破，从而分解为氢气和氧气。
分解反应的化学方程式为：2H2O → 2H2 + O2根据热力学原理，该分解反应需要消耗一定的能量。
因此，在高温气冷堆制氢的过程中，热能的供给至关重要。
通过调控燃料元素的浓度、温度和压力等条件，可以实现高效的制氢过程。
三、高温气冷堆制氢的应用前景高温气冷堆制氢技术被广泛应用于氢能产业中。
首先，制氢是氢能产业的关键环节，通过高温气冷堆制氢技术，可以实现高效、可控的氢气生产。
第六章 高温气冷堆
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高温堆用途
模块式高温堆建造周期2—3年，建造成本和电 价：1300美元/千瓦，3.3美分/度。 出口950℃，发电效率高，蒸汽循环40%左右， 氦气循环48%左右。 高温堆安全、经济好，用途广泛： 开采稠油和炼制石油； 生产各类化工产品； 煤气化、液化； 制氢、甲醇等等。
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3. 高温气冷堆－实验堆 英国1960年建造20MW试验堆“龙堆”(Dragon)。 美国1967年建成40MWe桃花谷(Peach Bottom)实验堆。 德国1967年建成15MWe的球床高温气冷堆(AVR)， 并发展了具有自己特色的球形燃料元件和球床高温堆。 这三座实验堆的成功运行，证明了高温气冷堆在技 术上是可行的。
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第四代先进核能系统－六个入选堆型：
超高温气冷堆 气冷快堆 钠冷快堆 超临界水堆 铅/铋冷快堆 熔盐堆
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基本概念
高温气冷堆（HTGR）
采用涂敷颗粒燃料，以石墨作慢化剂和堆芯结构 材料，以氦气作冷却剂的先进热中子反应堆。
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柱形元件
棱柱块 上开有燃 料孔和冷 却剂孔， 控制棒 孔，控制 毒物孔， 装卸孔。
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高温气冷堆堆芯结构特点
按照石墨燃料元件的结构形式分为： 球床堆 棱柱堆 堆芯一般为圆柱形，四周为石墨反射层， 反射层外为金属热屏，整个堆芯装在预应力混 凝土压力壳内。
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高温气冷堆－关键技术的突破
• 氦气－冷却剂 • 全陶瓷型的热解炭涂敷颗粒作燃料（技术突破）
高温气冷堆
高温气冷堆高温气冷堆高温气冷堆，（hightemperaturegascooledreactor），高温气冷堆的蒸发器能达到560℃，发电效率大大提升，高温气冷堆核电站具有良好的固有安全性，它能保证反应堆在任何事故下不发生堆芯熔化和放射性大量释放。
高温气冷堆具有热效率高（40%~41%），燃耗深（最大高达20MWd/t铀），转换比高（0.7~0.8）等优点，由于氦气化学稳定性好，传热性能好，而且诱生放射性小，停堆后能将余热安全带出，安全性能好。
折叠编辑本段研发历程70年代中期，中国高温气冷堆的研究发展工作始于70年代中期，主要研究单位是清华大学核研院。
1986年，在国家863计划支持下，清华大学正式开始了１０兆瓦高温气冷堆实验堆的研发。
1988～1989年，间德国的两座球床高温气冷堆反应堆相继被关闭，其原因是担心安全性。
2000年12月，建成临界。
高温气冷堆2003年1月，实现满功率并网发电，中国对高温气冷堆技术的研发取得了突破性成果，基本掌握了核心技术和系统设计集成技术。
这一科技成果在国内外引起广泛的影响，使中国在高温气冷堆技术上处于国际先进行列。
2004年9月底，由国际原子能机构主持，清华大学核研院在10兆瓦高温气冷堆实验堆上进行了固有安全验证实验。
实验结果显示，在严重事故下，包括丧失所有冷却能力的情况下，不采取任何人为和机器的干预，反应堆能保持安全状态，并将剩余热量排出。
2006年1月，国务院将大型先进压水堆和高温气冷堆核电站示范工程列为国家重大专项。
2008年2月，高温气冷堆核电站重大专项实施方案获国务院批准，专项牵头实施单位为清华大学核研院、华能山东石岛湾核电有限公司、中核能源科技有限公司。
2009年9月，美国能源部发表声明说：“下一代核电站（NGNP）项目将采用新型的高温气冷堆技术，一个设施支持多种工业应用，比如发电的同时进行石油精炼。
NGNP项目将使核能利用延伸到更宽广的工业和交通领域，降低燃料消耗和污染，并在现有的商业化轻水堆技术基础上提高固有安全性。
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5. 高温气冷堆－模块式 客观要求：美国三里岛事故发生后，人们设法实 现核反应堆的“绝对安全”。希望在任何事故情况下 都不会发生大的核泄漏，不会危及公众与周围环境的 安全，也就是人们常说的实现反应堆的固有安全性。 概念提出：模块式高温气冷堆就是在这样的背景 下发展起来的一种新堆型。1981年德国电站联盟 (KWU)首先提出球床模块式高核能工程系
高温堆用途
模块式高温堆建造周期2—3年，建造成本和电 价：1300美元/千瓦，3.3美分/度。 出口950℃，发电效率高，蒸汽循环40%左右， 氦气循环48%左右。 高温堆安全、经济好，用途广泛： 开采稠油和炼制石油； 生产各类化工产品； 煤气化、液化； 制氢、甲醇等等。
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高温堆为何能获得高温？
① 采用“全陶瓷”型涂敷颗粒燃料，不用金属包 壳，能承受很高的温度，在1600℃下仍能保持燃 料颗粒的完整性； ② 采用耐高温的石墨（可承受3000℃高温）作为堆 芯结构材料； ③ 使用化学惰性的氦气作为冷却剂，它与其它材 料有很好的高温相容性。
由于这些原因，可以使高温气冷堆的冷却剂出口 温度达到950℃，是迄今各类反应堆中工作温度最高 的堆型。
第六章
高温气冷堆
主讲教师 田
鑫
主要内容
1 2 3 高温气冷堆特点 高温气冷堆结构 高温气冷堆慢化剂和冷却剂
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第四代先进核能系统－六个入选堆型：
超高温气冷堆 气冷快堆 钠冷快堆 超临界水堆 铅/铋冷快堆 熔盐堆
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燃料元件结构特点
涂敷颗粒太小，无法直接 使用，只有将涂敷颗粒分 散在石墨基体中压制成燃 料密实体，再将密实体装 入有石墨包壳组成不同形 状的燃料元件使用。 • 球形元件 • 柱形元件
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烟囱 空冷器 水箱
腔室混凝土
堆芯
表面冷却系统
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高温堆基本特点 氦气作冷却剂 石墨作慢化材料 球形燃料元件 全陶瓷堆芯结构 连续装卸燃料 非能动余热排出 无应急冷却系统 模块化建造
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3. 高温气冷堆－实验堆 英国1960年建造20MW试验堆“龙堆”(Dragon)。 美国1967年建成40MWe桃花谷(Peach Bottom)实验堆。 德国1967年建成15MWe的球床高温气冷堆(AVR)， 并发展了具有自己特色的球形燃料元件和球床高温堆。 这三座实验堆的成功运行，证明了高温气冷堆在技 术上是可行的。
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慢化剂 高温气冷堆采用石墨作为慢化剂和主要 的结构材料主要原因： 1. 热中子吸收截面小； 2. 高温下有较好的机械性能和稳定性； 3. 抗热震性能好。
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冷却剂系统
两个循环回路：二次侧微放射性 冷却剂选择氦气的原因： 1. 化学惰性 2. 核物理性能 3. 容易净化 4. 传热性能和载热性能好 缺点：密封系统
1. 第一代气冷堆－Magnox型气冷堆 石墨为慢化剂，CO2气体为冷却剂，金属天然铀为 燃料，镁诺克斯(Magnox）合金为燃料棒的包壳材料。 1956年英国建成50 MW气冷堆电站，商用化。 70年代初期，在英、法、意、日和西班牙等国建造 36座，总装机容量达到8.2 GW（电）。
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高温堆固有安全性 负温度系数大；在任何 情况下能自动停堆。 功率密度低（5-10 kW/L),热容量大，热稳 定性高。但堆芯相对大。 失冷时，余热可靠导热、 辐射及自然对流排出。 元件低于1600⁰C的限值。 在任何运行和事故情况 下不会发生严重事故。
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基本概念
高温气冷堆（HTGR）
采用涂敷颗粒燃料，以石墨作慢化剂和堆芯结构 材料，以氦气作冷却剂的先进热中子反应堆。
高温气冷堆的特点
1、高温高效，提供高温核热的多用途核能源； 2、公认的固有安全性堆型，对环境污染小，可建在 人口密集区； 3、可获得较高的核燃料转换比。
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柱形元件
棱柱块 上开有燃 料孔和冷 却剂孔， 控制棒 孔，控制 毒物孔， 装卸孔。
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高温气冷堆堆芯结构特点
按照石墨燃料元件的结构形式分为： 球床堆 棱柱堆 堆芯一般为圆柱形，四周为石墨反射层， 反射层外为金属热屏，整个堆芯装在预应力混 凝土压力壳内。
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4.高温气冷堆－原型堆 美国1968年建造330 MWe圣•符伦堡（Fort Stvrain） 电站，1976年并网。 德国1971年 建造300 MWe钍高温球床堆THTR300，1985年并网运行。 高温气冷堆在设计、燃料和材料的发展、建造和 运行方面都积累了成功的经验，开始进入发电和工业 应用的商用化阶段。
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HTGR主要关键技术
1. 高燃耗的颗粒核燃料元件的制造和辐射考 验； 2. 高温高压氦气回路设备的工艺技术问题。
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全陶瓷堆芯结构
堆芯石墨结构
数字化控制室
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高温气冷堆－关键技术的突破
• 氦气－冷却剂 • 全陶瓷型的热解炭涂敷颗粒作燃料（技术突破）
1960 / UK HUDDLE PATENT: TRISO COATED PARTICLE 动力工程学院核能工程系
高温气冷堆简介 高温气冷堆根据其燃料元件形状和结 构的不同而分为两类：
球床高温气冷堆 柱状高温气冷堆
共同点
均采用涂敷颗粒燃料
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涂敷颗粒燃料：燃料核心＋涂敷层
1. BISO颗粒 燃料核心 ＋ 两种涂敷层 2. TRISO颗粒 燃料核心 ＋ 三种涂敷层 优点：不易破损、耐高温
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2. 第二代气冷堆－改进型AGR 包壳：镁铍合金，不锈钢 燃料：天然铀，2%UO2 CO2温度 400-670℃。 1963年英国建造32MWe原型堆， 1976-1988年，运行的AGR共有14座，8.9GW。 尽管AGR在性能上比Magnox堆有了很大改进，但 由于受到CO2与不锈钢元件包壳材料化学相容性的限 制(690 ℃ )，使出口温度难以进一步提高，再加上功率 密度低、燃耗低的限制，使其仍难以和压水堆在经济 上竞争 。
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高温气冷堆－设计概念的提出
1944 / USA
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高温气冷堆发展历史 气冷堆是反应堆发展史上最早的堆型