在核电领域,高温气冷堆是压水堆等其他堆型的补充,是具有第四代核电系统特征的先进堆型,具有固有安全性、发电效率高、系统简单、用途广泛等特点。我国目前在高温气冷堆技术的研究领域处于世界领先的地位,已建成高温气冷堆实验电站HTR-10,正在建设世界首座模块式球床高温气冷堆示范电站HTR-PM,实现着高温气冷堆由实验堆向商用堆的转化。但HTR-PM采用蒸汽透平循环发电,不能充分发挥高温气冷堆出口温度高的优势,因此,需要开展能发挥高温气冷堆出口高温优势的采用氦气透平循环发电的商用高温气冷堆的研究,本文主要对商用高温气冷堆氦气冷却回路的热工水力进行设计。本文根据堆芯热功率250MW的商用高温气冷堆的进出口参数和发电系统参数要求以及氦气冷却回路空间要求,对高温气冷堆氦气冷却回路开展热工水力设计研究,研究内容主要包括:氦气冷却回路热工水力方案设计、换热设备设计、换热设备仿真。研究结果包括:(1)根据回路要实现的功能确定了高温气冷堆氦气冷却回路流程。高温气冷堆氦气冷却回路可采用基于布雷登循环模型的闭式循环回路,基于该循环模型设计得到的氦气冷却回路流程可实现高温气冷堆堆芯热量的传递和带动发电系统发电,满足回路的功能;(2)根据设计输入参数和回路流程设计得到了回路的主要热工参数。经校核,在设计得到的热工参数下,回路的循环效率可达到设计要求;(3)根据回路中换热设备的热工参数设计结果和空间要求,设计得到了满足设计要求的换热器,验证了回路中换热设备的热工参数设计合理。通过选择合适的换热设备结构型式和设计其结构尺寸得到换热设备的换热面积(换热功率)和流动阻力,经核算,满足换热设备的热工参数要求,从而验证了回路中换热设备的热工参数设计合理;(4)根据换热设备设计结果仿真分析了换热设备的流动和传热情况,得到了满足要求的压降和换热量的仿真结果,验证了换热设备设计结果较为合理,从而也验证了回路中换热设备的热工参数设计合理;(5)回路中的换热设备结构设计合理。预冷器和中间冷却器采用螺旋缠绕管式换热器、回热器采用板翅式换热器时,可通过合理设计达到换热设备的热工参数要求。(6)换热设备设计和仿真分析验证了回路中换热设备的热工参数设计合理,而热工参数的设计基于氦气冷却回路进行,因而验证了氦气冷却回路流程设计合理。