第四代堆型

超常高温气冷堆系统（VHTR）

VHTR是高温气冷堆的进一步发展，采用石墨慢化、氦气冷却、铀燃料一次通过循环方式。其燃料温度达1800℃，冷却剂出口温度可达1500℃。VHTR具有良好的非能动安全特性，热效率超过50%，易于模块化，经济上竞争力强。

VHTR以1000℃的堆芯出口温度供热，这种热能用于如制氢或为石化和其它工业提供工艺热。参考堆的热功率为600 MW，堆芯通过与其相连的一个中间热交换器释放工艺热。反应堆芯可以是像正在日本运行的HTTR那样的棱柱形块堆芯，或者是像正在我国运行的HTR-10那样的球床堆芯。VHTR 制氢能有效地向碘－硫热化学工艺供热。

VHTR保持了高温气冷堆具有的良好安全特性，同时又是一个高效系统。它可以向高温、高耗能和不使用电能的工艺过程提供广谱热量，还可以与发电设备组合以满足热电联产的需要。该系统还具有采用铀/钚燃料循环的灵活性，产生的核废料极少。

表2 VHTR参考堆主要参数参考值

热功率，MWt 600

堆芯入口/出口压力，MPa 根据工艺

冷却剂入口/出口温度，℃ 640/1000

净效率，% >50

平均功率密度，MWt/m3 6~10

燃料成份在块状燃料、粒状燃料或球状燃料中的碳化锆包覆颗粒

氦气质量流量，kg/s 320

技术上有待解决的问题：

·在这种超常高温下，铯和银迁徙能力的增加可能会使得碳化硅包覆层不足以限制它们，所以需要进行新的燃料和材料设计，以满足下述条件：堆芯出口温度可达1000℃以上，

事故时燃料温度最高可达1800℃，

最大燃耗可达150~200 GWD/MTHM，

高温合金和包覆质量，

使用碘－硫工艺过程制氢，

能避免堆芯中的功率峰和温度梯度，以及冷却气体中的热冲击；

·安全系统是能动的，而不是非能动的，因而降低了其安全裕量；

·开发高性能的氦气气轮机及其相关部件；

·商业用反应堆的模块化；

·石墨在高温下的稳定性和寿命。

超临界水冷堆（SCWR）

SCWR是运行在水的临界点（374℃、22.1 MPa）以上的高温、高压水冷堆。SCWR使用"超临界水"作冷却剂。这种水既具有液体性质又具有气体性质，热传导效率远远优于普通的"轻水"。用超临界水作冷却剂可使反应堆的热效率比目前的轻水堆热效率提高约1/3，还可以简化BOP。因为反应堆中的冷却剂不发生相变，而且直接与能量转换设备连接，因而可以大大简化BOP。SCWR的参考堆热功率1700 MWt，运行压力25 MPa，堆芯出口温度510℃（可以达到550℃）。使用氧化铀燃料。SCWR的非能动安全特性与简化沸水堆相似。SCWR既适用于热中子谱，也适用于快中子谱。SCWR结合了两种成熟技术：轻水反应堆技术和超临界燃煤电厂技术。由于系统简化和热效率高（净效率达44%），在输出功率相同的条件下，超临界水冷堆只有一般反应堆的一半大小，预计建造成本仅$900/kW。发电费用可望降低30%，仅为$0.029/kWh。因此，SCWR在经济上有极大的竞争力。

SCWR主要是设计用于发电的，也可用于锕系元素管理。其堆芯设计有两种：热谱或快谱。后者采用快堆的闭式燃料循环。

表3 SCWR参考堆主要参数参考值

电功率，MWe 1700

冷却剂压力，MPa 25

冷却剂入口/出口温度，℃ 280/510

净效率，% 44

平均功率密度，MWt/m3 100

参考燃料成份用奥氏体或铁盐酸不锈钢，或镍合金做包壳的UO2 燃耗，GWD/MTHM 45

技术上有待解决的问题：

·SCWR的材料和结构要能耐极高的温度、压力，以及堆芯内的辐照。这就带来了很多相关的问题，包括：

腐蚀问题和应力腐蚀断裂问题，

辐解作用和水化学作用，

强度、脆变和蠕变强度，

燃料结构材料和包壳结构材料所需的先进高强度金属合金；

·SCWR的安全性：

非能动安全系统的设计，

怎样克服堆芯再淹没时出现的正反应性；

·运行稳定性和控制：

理论上有可能出现密度波以及中子动力学、热工水力学和自然循环相耦合的不稳定性；

功率、温度和压力的控制，例如，给水功率控制，控制棒的温度控制，汽轮机节流压力控制等；

电站的启动：定参数启动，还是滑参数启动？

·SCWR核电站的设计。

熔盐反应堆（MSR）

由于熔融盐氟化物在喷气发动机温度下具有很低的蒸汽压力，传热性能好，无辐射，与空气、水都不发生剧烈反应，上世纪50年代人们就开始将熔融盐技术用于商用发电堆。MSR在超热谱反应堆中产生裂变能，采用熔盐燃料混合循环和完全的锕系再循环燃料。在MSR系统中，燃料是钠、锆和铀氟化物的循环液体混合物。熔盐燃料在石墨堆芯通道中流过，产生超热谱。在熔盐中产生的热量通过中间热交换器传给二次侧冷却剂，再通过第三热交换器传给能量转换系统。参考电站的电功率为百万千瓦级。堆芯出口温度700℃，也可达800℃，以提高热效率。

MSR采用的闭式燃料循环能够获得钚的高燃耗和最少的锕系元素。MSR 的液态燃料允许像添加钚一样添加锕系元素，这样就用不着燃料的制造和加工。锕系元素和大多数裂变产物在液态冷却剂中形成氟化物。熔融氟化盐具有良好的传热特征和很低的蒸汽压力，这样就降低了对容器和管道的应力。

表4 MSR参考电站主要参数参考值

电功率，MWe 1000

燃料盐入口/出口温度，℃ 565/700

氢温，℃ 850

热效率，% 44~50

蒸汽压力 < 0.1 psi

慢化剂石墨

功率密度，MWt /m3 22

功率循环多次再热的回复式氦气布雷顿循环

技术上有待解决的问题：

·锕系元素和镧系元素的溶解性；

·材料的兼容性；

·金属的聚类；

·盐的处理、分离和再处理工艺；

·燃料的开发；

·腐蚀和脆化研究；

·氚控制技术的研发；

·熔盐的化学控制；

·石墨密封工艺和石墨稳定性改进和试验；

·详细的概念设计研究和设计规范。

气冷快堆（GFR）