高温气冷堆吸引着人们去探索

高温气冷堆吸引着人们去探索除了用水冷却外，还有用气体作为冷却剂的气冷堆。气体的主要优点是不会发生相变。但是气体的密度低，导热能力差，循环时消耗的功率大。为了提高气体的密度及导热能力，也需要加压。气冷堆在它的发展中，经历了三个阶段，形成了三代气冷堆。第－代气冷堆，是天然铀石墨气冷堆。它的石墨堆芯中放入天然铀制成的金属铀燃料元件。石墨的慢化能力比轻水和重水都低，为了使裂变产生的快中子充分慢化，就需要大量的石墨。加上作为冷却剂的二氧化碳导热能力差，使这种堆体积大，平均功率密度比压水堆低百多倍。此外其热能利用效率只有24％。由于这些缺点，于是英国从六十年代初期起，就转向研究改进型气冷堆。改进型气冷堆是第二代气冷堆。它仍然用石墨慢化和二氧化碳冷却。为了提高冷却剂的温度，元件包壳改用不锈钢。由于采用二氧化铀陶瓷燃料及浓缩铀。随着冷却剂温度及压力的提高，这种堆的热能利用效率达40％，功率密度也有很大提高。第一座这样的改进型气冷堆1963年在英国建成。当时英国过高地估计了所取得的成就，准备建造十座一百三十多万千瓦的改进型气冷堆双堆电站。然而出师不利，在开始建造后不久，问题一个接着一个，使原订建成的电站，工期一再推迟，基建投资也大幅增加，以致造成的损失达一二十亿英镑，成为英国核动力史上一场巨大的灾难。一则由于改进型气冷堆的波折，二则由于这种堆在经济上的竞争能力差，加上轻水堆的大量发展，经过了近十年的争论，英国政府决定，放弃自己单独坚持了二十多年的气冷堆路线。尽管如此，第三代气冷堆即高温气冷堆，虽然也经历了曲折的道路，却强烈地吸引着人们去探索，并显示了旺盛的生命力。高温气冷堆是一种用高富集度铀的包敷颗粒作核燃料、石墨作中子慢化剂、高温氦气作为冷却剂的先进热中子转化堆。高温气冷堆的核燃料是富集度为90％以上（也有的高温气冷堆采用中、低富集度）的二氧化铀或碳化铀（见图1.2.15）。首先将二氧化铀或碳化铀制成直径小于一毫米的小球，其外部包裹着热解碳涂层和碳化硅涂层。将这种包敷颗粒燃料与石墨粉基体均匀混合之后，外面再包一些石墨粉，经复杂的工艺加工制成直径达60毫米的球形燃料元件。由于每颗包敷颗粒燃料小球有多层包壳，而且包敷颗粒燃料小球间有石墨包围，所以这种燃料元件在堆内几乎不会破裂。高温气冷堆的冷却剂是氦气。球形元件重叠时，彼此间有空隙可供高温氦气流过。在氦循环风机的驱动下，氦气不断通过堆芯将裂变热带出，进行闭式循环。氦气的压力一般为4MPa。1985年德国建成的30万千瓦电功率的高温钍堆是一种用蒸汽进行间接循环的高温气冷堆，它的堆芯高6米，直径5.6米，功率密度6千瓦/升。堆芯有67.5万个直径6厘米的球，其中35.8万个是装了燃料的球，31.7万个是慢化和控制用的石墨球和可燃毒物球。堆芯放在预应力混凝土压力壳内（见图1.2.16），预应力混凝土压力壳外直径24.8米，高25.5米。反应堆运行时，新的燃料球由反应堆的顶部加料机构加入，烧过的燃料球依靠它的自重从反应堆漏斗式底部卸出，经过燃耗分析器检定，将未烧透的燃料球送回堆芯继续使用，这样可以做到连续不停堆装卸料。目前的高温气冷堆分为三种：第一种是用蒸汽进行间接循环的高温气冷堆。其反应堆出口温度约750℃，氦气压力为4MPa。如果是100万千瓦的高温气冷堆，每小时的氦气流量达4600万吨。这种闭式循环的高温氦气经过蒸汽发生器管内时，使蒸汽发生器管外流动着的二回路的水变为高温蒸汽，向压水堆那样去推动汽轮发电机组。这种间接循环的高温气冷堆的基建投资估计比相同规模的压水堆核电站高出40%，而且要用90%富集度的高浓铀，经济上没有竞争力。第二种是直接循环的高温气冷堆。这种堆产生850℃的高温氦气，不经过蒸汽发生器这一中间环节，直接去推动氦汽轮机。氦汽轮机排出的余热又可以供氨蒸汽循环使用。采用这种双重循环发电，热能利用率可达50%。也可利用氦汽轮机余热供热，使之成为核热电站。由于高温气冷堆逸出的放射性甚微，用来自反应堆堆芯的高温氦气直接推动氦汽轮机时，不会象沸水堆核电站直接循环那样给检修造成困难。第三种是特高温气冷堆。这种堆的氦气出口温度达950℃以上，可以炼钢、生产氢气、煤的液化和气化等。如果在燃气轮机后增加两道氨蒸汽循环发电，则热能利用效率可达60%。研制后两种高温气冷堆的主要困难是材料。在850-1200℃范围内，目前采用的材料的强度难于满足需要，氦循环风机、氦汽轮机等大型设备要进行研制。高温气冷堆由于采用包敷颗粒核燃料，取消了燃料元件的金属包壳，又用传热性能较好、化学性能稳定、中子吸收截面小的氦气作冷却剂，因此它具有下列与众不同的特点；1.核电站选址灵活且热效率高由于采用耐高温的包敷颗粒核燃料，并用耐高温石墨作堆芯结构材料，因此允许反应堆冷却剂的出口温度达到750-950℃。如果将高温气冷堆的出口氦气温度提高到900℃左右，并采用氦气轮机进行直接循环，加之氦气的热导率和比热比二氧化碳大得多，输送时消耗的功率小，则高温气冷堆可达50%以上的热效率，这是其它堆型不可企及的高度。另外由于利用氦气轮机直接循环时便于用空气冷却塔散失余热，使这种堆可以建在冷却水源不足的地方，选址非常灵活。2.高转化比高温汽冷堆中除核燃料外，没有金属结构材料，只有中子吸收截面较小的石墨，反应堆的中子经济性好，有较多的剩余中子可用来将钍－232转化为铀-233，使新核燃料的转化比可达0.85左右。因此堆内用钍作为再生核燃料，实现钍-铀循环，将大大有利于钍资源的利用。这种堆属于先进转化堆。3.安全性高高温汽冷堆的负温度系数大，堆型热容量也大，因此在事故工况下温度上升缓慢，即使在失氦情况下，堆型结构也不至于熔化，这就使得采取相应安全措施的裕度增大。另外由于采用了预应力混凝土压力壳，容器不会发生突然爆破事故。因此这种堆型安全性较好。4.对环境污染小由于采用性能稳定的氦气作冷却剂，氦气的中子吸收截面极小，反应堆一回路放射性剂量较低；而且由于它的热效率高，排出的废热也比轻水堆少35-40%，热污染少。因此它是核电站中较清洁的堆型，可以建在人口较密的城镇附近。5.有综合利用的广阔前景氦气是一种惰性气体，化学性质不活泼，容易净化，不引起材料的腐蚀。它透明，便于装卸料操作。在出口温度提高到1000-1200℃左右时，可将反应堆的高温工艺供热直接应用于炼钢、制氢、煤的液化或气化等工业生产中，达到综合利用的目的。6.可实现不停堆换料高温气冷堆使用球形元件时，可以通过装卸料机构实现不停堆连续装卸核燃料。这样可以使堆内的后备反应性小，有利于反应堆的控制。虽然高温气冷堆有以上这些突出的优点，但是由于技术上还没有达到成熟的阶段，仍有很多技术问题影响着它的迅速发展。这些问题归纳为：1.高燃耗包敷颗粒核燃料元件的制备和辐照考验燃料元件复杂的制备工艺，巨大的数量，要求不仅要克服燃料元件制造工艺上遇到的很多技术难关，还要求元件的制造必须有可靠的稳定性。另外，为了验证这些燃料元件在反应堆内高温、强辐照条件下能否具备良好的使用性能，必须在反应堆内进行长期的辐照考验。2.高温高压氦气回路设备的工艺技术问题由于高温高压的氦气极易泄漏，因此氦气泄漏的指标需要严格加以控制。为此，一回路的系统及设备都需要采取一系列严格的密封防泄漏措施。特别是高温氦气循环风机、氦气轮机、气体阀门等带转动部件的设备，防泄漏动密封的问题最大。3.燃料后处理及再加工问题在高温气冷堆中，为了加大转化比，加大燃耗和降低成本，采用铀-钍燃料循环体系，这就给燃料后处理和再加工带来了很多新的问题。在元件再加工中，由于铀-233燃料中含有难以分离的铀-232，后者带有很强的γ放射性，因此必须采取特殊的防护措施和遥控操作。另一方面，另建一套钍-铀燃料循环体系，在技术上和经济上都要克服一定的困难。1964年后，英国、美国和联邦德国先后建起了三座高温气冷试验堆。除了初期出过一些小小的故障外，运行情况都非常令人满意。它们逸出的放射性甚微，特别是西德的球床堆，燃耗深度超过压水堆几倍。原设计氦气出口温度为750°C，后来相继提高到850°C和950°C；这些都证明高温气冷堆的概念是可行的。由于高温气冷堆在技术上具有水冷堆无法比拟的优点，加上三座已建堆取得的成绩，因而在国际上引起了普遍重视。专家们认为这种堆型在下世纪的能源结构中具有特殊的地位，一度将这种堆列为必须发展的堆型。