张超

摘要：高温气冷堆（HTGR）因其产生高温氦气的能力及其固有的安全特性而特别具有吸引力。确认了反应堆特性和反应堆性能，描述了HTTR高温试验运行的结果，并对反应堆运行进行了监测，以证明运行的安全性和稳定性。同时，研究了HTGR高温氦取样回路（HTHSL）在蒸汽发生器（SG）中的输运（沉积）行为和固体裂变产物总量分别设计。通过基于热工水力学分析的优化设计和仿真，沉积取样装置（DSD）的3套管结构能够实现均匀的全程温度控制。在相应模拟的基础上，改进了HTGR高溫气冷反应堆的高温氦气取样回路，可用于SG高温氦中重要核的取样。这些方案为获得高温氦源项提供了有效的解决方法，为高温气冷堆源项的分析提供了更深入的认识。

关键词：高温气冷反应堆（HTGR）;高温氦取样回路（HTHSL）;温度控制;仿真

中图分类号：TL375 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2022）07-0085-04

Study on high temperature helium sampling of HTGR

high temperature gas cooled reactor

ZHANG Chao

（Huaneng Shandong Shidaowan Nuclear Power Co.， Ltd.，Weihai 264200，Shandong China）

Abstract：High Temperature Gas-cooled Reactor （HTGR） is particularly attractive because of its ability to produce high temperature helium and its inherent safety characteristics. The reactor characteristics and reactor performance were confirmed， the results of HTTR high temperature test operation were described， and the reactor operation was monitored to prove the safety and stability of operation. At the same time， the transport （deposition） behavior of HTGR High Temperature Helium Sampling Loop （HTHSL） in Steam Generator （SG） and the total amount of solid fission products are designed respectively. Through the optimization design and simulation based on thermal hydraulic analysis， the 3 casing structure of Deposition Sampling Device （DSD） can realize uniform whole process temperature control. Based on the corresponding simulation， the high temperature helium sampling circuit of HTGR high temperature gas cooled reactor is improved， which can be used to sample important nuclei in SG high temperature helium. These schemes provide effective solutions for obtaining the source term of high-temperature helium and provide a deeper understanding for the analysis of the source term of high-temperature gas-cooled stack.

Key words：High Temperature Gas-cooled Reactor （HTGR）; High Temperature Helium Sampling Loop （HTHSL）; temperature control; simulation

高温气冷堆（HTGR）是一种石墨慢化、氦气冷却的反应堆，因其生产高温氦气的能力及其固有的安全特性而特别具有吸引力。高温气冷堆作为一种高效燃烧武器级钚用于能源生产的选择，极具吸引力。高温气冷堆一回路中释放的裂变产物的迁移和沉积行为[1]引起了人们极大的关注，因为它有助于我们深入了解HTGR的源项，包括运行过程中的人员辐射暴露事故条件下放射性释放的维护、净化和预防[2]。高温气冷堆中的冷却气体和石墨粉尘将放射性物质从堆芯释放并输送到一次系统。从先前对AVR反应堆的研究中可以看出，活性可以以粉尘结合形式或自由形式存在，并且可以沉积在一回路中的元件表面[3]。同时，放射性粉尘的输送、沉积或再活化取决于粒度、局部和暂时的流动力[4-6]。在Dragon反应堆和TRAFIC计划中[7-8]，设计了一些旨在研究裂变产物沉积模式的相关实验，并完成了相应取样装置的研发，这些努力为实现高温气冷堆源项的经验意义提供了重要途径。

对于HTGR的高温氦气取样一次回路的实验研究，以获得裂变产物和石墨粉尘的真实可信的实验数据，以验证已经存在的理论计算。于是，为HGTR设计了高温氦取样回路（HTHSL）。HTHSL的重点是研究固体裂变产物在高温氦（>600 ℃）中的迁移和沉积规律，高温氦是从燃料元件中释放出来的，或是从蒸汽发生器（SG）中解吸出来的。沉积取样装置（DSD）是HTHSL的主要部件之一，专门用于收集裂变产物和石墨粉尘的颗粒。由于DSD中的裂变产物是在高温氦中收集的，因此沉积对反应堆部件的影响可以忽略不计，源项可以被认为是具有代表性的，与一回路中冷氦（<250 ℃）的源项相比更具原创性。

基于上述原因，本文研究设计了用于研究高温气冷堆反应堆（HTGR）中SG在高温氦气中的输运（沉积）行为和固体裂变产物总量的HTHSL。首先，通过基于热工水力学分析的优化设计和仿真，DSD的3套结构能够实现均匀的全程温度控制，可用于HTGR一回路裂变产物的研究。其次，在相应模拟的基础上，设计了一种改进的高温气冷堆DSD，可用于从蒸汽发生器中提取高温氦中的重要原子核。这些方案为获得高温氦源项提供了良好的方法，为高温气冷堆源项的分析提供了更深入的认识。

1HTGR中高温氦取样回路和沉积取样装置的研制

HTGR的HTHSL的示意图如图1所示。

通过修改SG的温度热电偶通道，提取高温氦（>600 ℃），并首先通过热电偶CT001进行测试，以确保其温度超过600 ℃。通过约20 m长的管道（DN10），氦气从蒸汽发生器室流向操作气体阀室，大多数设备放置在该阀室。在进入DSD之前，氦气流经3个电动隔离阀（AA001、AA002、AA003），实现隔离安全相关系统的功能。在进入隔离阀AA001之前，温度传感器CT002记录温度和压力数据，以确保进入3个阀门（AA001、AA002和AA003）时的氦气温度不会超过阀门温度限制（370 ℃）。阀门AA003后面有1个电加热器。氦气将在电加热器中加热到600 ℃以上。因此，可以采取措施，如增加氦通量或提高管的热功率（见下文），以确保进入DSD的氦满足实验要求。氦气从SG流向阀门AA001的管道被隔热层覆盖[1]。这样，管内氦的温度可以保持相对较高，以减少气溶胶和核素沉积在管内壁上。

DSD（AT003）由3个套管组成。最里面的套管有1个金属棒，其材料与内壁不同，以便在必要时分析裂变产物在不同金属表面同时沉积的规律（例如，HTR-PM的SG由两种不同的金属组成）。通过最外层套管内的冷却水将氦气从600 ℃均匀地冷却到200 ℃，氦气中的裂变产物逐渐沉积在装置的表面，5个测温点的位置不均匀，实现了不同部位包括L=0.400 m、L=0.463 m、L=0.549 m的等温下降，L=0.673 m的等温下降，具体如图2所示。DSD前有一个滤尘器（AT002），用于最初过滤大颗粒和气溶胶，以避免它们堵塞沉积装置;阀门AA003和滤尘器的连接方式相同。实验结束后，可以取下滤尘器和DSD进行沉积测量;DSD的结构如图2所示。控制阀（AA007）可以调节回路的氦气流量，以测量不同流量下的裂变产物沉积，模拟HTR-10的不同运行条件。两个常闭阀（AA008和AA009）放置在真空支管中，以严格防止主回路中的气体通过真空支管泄漏。从DSD流出的氦气将通过高效微粒气体过滤器（AT004），最后通过隔膜压缩机（AN301）从氦气净化系统的末端返回反应堆[1]。

简要的实验过程如下：

（1）实验前，关闭阀门AA001和AA010，打开真空支管中的阀门AA008和AA009，通过真空泵系统排空HTHSL中的气体;

（2）打开阀门A001和A010，将回路连接至反应器，调节流量至设定值后，回路将正常运行。该实验计划在6～10 kg/h的通量下进行，这代表了SG中的通量。采用DSD的温度模拟如图2所示，正常运行期间，阀门AA001、AA002、AA003、AA010保持常开;而阀门AA008和AA009保持常闭;

（3）实验结束后，先关闭入口阀AA001、AA002和出口阀AA010，然后打开阀门AA008和AA009，用真空泵系统将回路压力降至大气压。当HTHSL压力稳定时，可将取样装置从回路中取出，进行拆卸和测量。

2HTGR中HTHSL和DSD的研发

2.1HTGR用HTHSL及DSD的设计

在此基础上，还可以设计出一种类似的HTGR用HTHSL和DSD。HTR-PM是一种商业化的高温气冷堆，因此对其产品的运输和沉积的学术研究意义不大。然而，实时监测不同工况下SG高温氦气中裂变产物总量的意义更大，因为它有助于反演堆芯燃料的真实状态，甚至有助于事故后的监测。按照这种思路，简单的实验过程如下：

（1）实验前，保持所有阀门关闭，装置关闭。将DSD AT001放入运输箱BB001中，并用推杆连接至电机AE001。打开阀門AA005和AA009，打开真空泵AP301，将输送箱BB001中的空气吹入通风系统。当压力传感器CP004的测量数据达到50 Pa以下压力时，关闭阀门AA005和AA009，关闭真空泵AP301;

（2）打开阀门AA005、AA006、AA007，让高压洁净氦气罐（10 MPa）高压氦流向输送箱BB001，压力传感器CT003测量数据达到7 MPa时，打开球阀AA001、AA002，向前启动电机AE001。在电动机和气压的推动下，DSD AT001通过球阀AA001和AA002进入取样位置，700 ℃以上的高温氦从SG流出，可直接流入DSD。然后，关闭电机AE001;

（3）打开阀AA011，启用氦驱动棘爪AW001，将DSD AT001固定到采样位置;

（4）关闭阀门AA006和AA007，打开阀门AA008。断开推杆和DSD AT001，向后启动电机AE001，拔出推杆。关闭如图3所示的HTR-PM的DSD结构。调节使得氦参数值通量10 kg/h，氦气温度650 ℃，冷却水流量（DSD外水套管）265 kg/h，冷却水温度20 ℃，电动机AE001。关闭球阀AA001和AA002，关闭阀门AA005、AA008和AA011;

（5）打开阀门AA003和AA004，启动隔膜压缩机AN301;

（6）取样结束后，关闭阀门AA003和AA004，停止隔膜压缩机AN301。打开球阀AA001和AA002，向前启动电机AE001，将推杆推至DSD AT001后端。然后，停止电机AE001，并将推杆连接到DSD AT001;

（7）将棘爪AW001抽出，打开阀门AA005和AA008，然后向后启动电机AE001，将DSD AT001拖回运输箱BB001。关闭球阀AA001和AA002，关闭阀门AA001和AA008，停止电机AE001;

（8）打开阀门ESA005、AA009和A010，将变速器端口罐BB001中的空气推到通风系统;然后打开运输箱取出DSD。

高温气冷堆用高温超导带材的主要部件是DSD和相应的驱动机构;DSD的示意图如图3所示。

由图3可知，DSD由3部分组成：烧结金属过滤器组件①、分子筛②和套筒③。烧结金属过滤器由上隔膜④、烧结金属管⑤和下隔膜⑥组成。高温氦气从上隔膜④上的孔流入烧结金属管⑤，并从管壁间隙通过上隔膜⑥上的开口流出到分子筛。在此过程中，高温氦气中的粉尘和金属裂变产物将被过滤并附着在烧结金属管和分子筛上。

2.2HTGR用DSD的温度和流量分布计算

氦气温度分布及其在DSD中的分布如图4所示。

从图4结果可知，DSD中氦的温度从650 ℃下降到100 ℃左右，说明大部分放射性粉尘都可以在DSD中收集。这是因为DSD前由于温度较高，没有预沉积，DSD内的温度下降很快，保证了大多数放射性粉尘在DSD内流动时能够沉积。

氦的流体运动如图5所示。

由图5可知，在DSD的不同部位，氦在DSD中的流场是不同的。结果表明：氦气在入口和出口处的流速最高，均在0.2 m/s以上。当氦气进入分子筛后，由于流动方向的改变，流速逐渐减小（0.015 m/s以下），流速增加到0.06 m/s左右。

3结语

通过基于热工水力学分析的优化设计，HTGR的高温回路氦气取样可以在实际反应器中使用，并取得预期的效果。此外，还应考虑用于测量裂变产物种类和数量的DSD拆卸方案。通过基于热工水力学分析的优化设计和仿真，沉积取样装置（DSD）的3套管结构能够实现均匀的全程温度控制，可用于HTGR——回路裂变产物的研究。在相应模拟的基础上，设计了改进的DSD用于HTGR，可用于SG高温氦中重要核的取样。这些方案为获得高温氦源项提供了2种不同的方法，为高温气冷堆源项的分析提供了更深入的认识。

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