[科普中国]-氦冷却核反应堆

简介

氦冷却核反应堆是第三代气冷堆，它是石墨作为慢化剂，氦气作为冷却剂的反应堆，属第四代核能系统——高温气冷堆。这里所说的高温是指气体的温度达到了较高的程度。因为在这种反应堆中，采用了陶瓷材料和耐高温的石墨结构材料，并用了惰性的氦气作冷却剂，这样，就把气体的温度提高到750℃以上。同时，由于结构材料石墨吸收中子少，从而加深了燃耗。另外，由于颗粒状燃料的表面积大、氦气的传热性好和堆芯材料耐高温，所以改善了传热性能，提高了功率密度。这样，氦冷却核反应堆成为一种高温、深燃耗和高功率密度的堆型。1

石岛湾核电高温气冷堆核电站示范工程是国内第一座高温气冷堆示范电站，是世界上第一座具有第四代核能系统安全特征的20万千瓦级高温气冷堆核电站。石岛湾核电厂址位于荣成市，高温气冷堆核电站示范工程计划已经于2012年12月正式开工建设。

工作过程它的简单工作过程是，氦气冷却剂流过谜料体之间，变成了高温气体，高温气体通过蒸汽发生器产生蒸汽，蒸汽带动汽轮发电机发电。

核材料氦冷却核反应堆的核燃料，是用溶胶凝胶法，将二氧化铀或碳化铀制成直径小于1mm的小球，其外部包裹着热解碳涂层和碳化硅涂层。每个小球一般涂三层，最内的涂层疏松多孔，可以使燃料小球因升温和辐照肿胀而造成的体积膨胀得到缓冲；最外的涂层比较致密，可以阻挡裂变气体的外逸。这两层之间是阻挡固体裂变产物外逸的碳化硅涂层。将这种涂层颗粒燃料与石墨粉均匀混合之后，外面再包一些石墨粉，就可制成棱柱形、圆柱形或珠形燃料元件。柱形元件之间有气体流过的通道，球形元件则是实心的。球形元件堆放时，彼此间有空隙可供气体流过。由于每颗燃料小球有多层包壳，而且每颗燃料小球之间都有石墨包围，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，在氦循环风机的驱动下不断通过堆芯将裂变能带出，进行闭式循环。堆芯放在有石墨衬里的预应力混凝土压力容器内。1

冷却剂氦冷却核反应堆的冷却剂是氦气，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。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kW的高温气冷堆，每小时的氦气流量达4600t。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。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，不会像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大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以满足需要。氦循环风机、氦汽轮机等大型设备也需要进行研制。

优点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。氦气的中子吸收截面极小，它的热导率为二氧化碳的4.5倍，比热容为二氧比碳的3.5倍，输送时消耗的功率仅略高于氢而低于其它气体。它透明，便于装卸料操作。另外由于石墨耐高温，所以氦气的温度可以提高到750~1200℃。这样一来，除了可在发电时提高热能利用效率外，还可为炼钢、煤的汽化、生产氢气等提供高温热源，从而减少了电能这一中间转换环节。由于余热的份额少，又便于用空气冷却塔，热污染少，因而这种堆可以建在冷却水源不足的地方。3

缺点氦冷却核反应堆的发展过程中也碰到多种难题，目前比较一致的看法是，氦冷却核反应堆如果不在氦气直接循环和高温供热上取得技术突破，要想在市场上与水冷堆竞争是很困难的。但不可否认的是氦冷却核反应堆具有其它堆型无法代替的优点，在能源结构中具有特殊的地位和发展前景，因而值得人们进一步的探索和研究。3