[科普中国]-镁诺克斯反应堆

镁诺克斯反应堆用镁合金作天然铀燃料元件的包壳的反应堆。金属镁的热中子吸收截面小，是好的包壳材料。英国、法国早期的石墨慢化、二氧化碳冷却的气冷堆均用这种合金作天然铀式低加浓铀燃料元件外壳。它的破损率很小，平均只有0.05%3。

50万千瓦(电)镁诺克斯核电站的反应堆活性区含有约三万根由镁诺克斯覆盖的天然铀金属组成的燃料元件。燃料元件装在石墨砌体孔道中。高压的二氧化碳用作冷却剂，以强制循环的方式通过燃料孔道和蒸汽发生器。为了提高传热的效果，在燃料包壳及蒸汽发生器的管子上均装了鳍形散热片。在早期的镁诺克斯电站采用了大型的球体钢压力壳，通过导管和蒸汽发生器和气体循环风机相连，但在后建的电站中，这些都被具有一体化蒸汽发生器布置的预应力混凝土压力壳所代替。对这种极大的天然铀反应堆中，几乎是连续地更换燃料，为了这种操作的需要，研制了带负荷的燃料装卸系统。复杂的燃料运输机同穿通压力壳顶部的支撑管相连，用装在伸缩杆上的遥控抓头进行燃料装卸。吸收中子的控制棒用链条机构从石墨活性区中分开的孔道中提出，并利用自重插入来实现快速停堆。由于石墨活性区的热容量大，及在较后建的电站采用的混凝土压力壳的固有的安全性，不再需要特殊的安全包壳来应付一次回路破裂可能发生的影响2。

石墨气冷堆（镁诺克斯反应堆）核电厂使用石墨作为慢化剂和结构材料、二氧化碳气体为冷却剂、金属天然铀为核燃料以及镁诺克斯(MAGNOX)合金为燃料棒包壳材料的气体冷却反应堆核电厂。由于石墨中子吸收截面小，慢化性能好，可利用天然铀作为核燃料。它和水冷堆比较，气体冷却剂能在不高的压力下得到较高的出口温度，可提高电厂的蒸汽参数，从而提高热效率。但由于镁合金包壳不能承受高温，限制了二氧化碳的出口温度，因而限制了反应堆热工性能的提高。此外，它可以在功率运行状态连续换料，提高电厂可用率1。

在世界核电厂发展初期，一些没有铀同位素分离能力的国家如英、法等国，曾把这种核电厂作为一种主要核电厂类型而大量建造过。如早在1956年英国就建成了净电功率为50MW的世界上第一座石墨气冷堆核电厂——卡德霍尔(Calder Hall)核电厂，标志着这种类型核电厂进入商用化，以后在英、法、意大利、日本和西班牙等国相继建造和运行了38座， 总装机容量共8945MW4。

镁诺克斯反应堆结构以英国奥德伯里(Old Bury)镁诺克斯型反应堆为例。

反应堆堆芯为多边棱柱，对边间距为14.2m，总高为9.8m，其中石墨慢化剂砌体堆芯直径为12.8m，高为8.5m，与反射层和侧向屏蔽一起都支承在一个格板上面，再通过垫板把所有载荷传给反应堆容器底部。全部石墨质量约2060t，内有3308个燃料孔道。从堆芯底部到顶部，每个孔道内安装8根镁诺克斯合金包壳的天然铀燃料棒(直径为28mm，长为972mm)，其栅距为197mm。包壳外面有人字形的加肋传热表面和保证燃料棒中心定位用的凸条。含硼控制棒插入堆芯燃料棒孔道之间的管道内。每根控制棒有独立的驱动机构。

二氧化碳气体经过气体循环风机(主风机)加压后通过屏蔽层内的通道到堆芯底部，然后沿燃料棒流到堆芯顶部，加热后的气体流经屏蔽层的上部，往下通过蒸汽发生器返回循环风机，形成一回路流动。

4台蒸汽发生器对称地安装在堆芯周围，堆芯和蒸汽发生器之间是一层由石墨和碳钢组成的屏蔽层，每个蒸汽发生器下面有1台轴流式风机，由背压式汽轮机驱动。

蒸汽发生器内产生的蒸汽有两种不同的压力， 高压蒸汽通过循环风机的驱动汽轮机后返回蒸汽发生器过热，然后和低压蒸汽混合后进入汽轮发电机组1。

镁诺克斯反应堆工作原理堆芯大致呈圆柱状，由很多正六角形棱柱的石墨块堆砌而成。在石墨砌体中有许多装有燃料元件棒的孔道，以便使加压的二氧化碳流过，将热量带出。从堆芯出来的热气流，在蒸汽发生器中将热量传给二次侧的水，使之受热成为蒸汽进入汽轮机，带动发电机组发电。放热后的冷却气体借助循环风机返回堆芯完成一回路循环。

这种堆的主要优点是用天然铀作燃料，可以在较低的压力下获得较高的反应堆出口温度（但由于镁合金包壳不能承受高温二氧化碳的出口温度仍受到限制）。此外它可以在功率运行状态连续换料，提高电厂可用率。

这种堆的缺点是功率密度小、体积大、难以将对功率做大；装料多、造价高，燃耗低使得天然铀消耗量大。由于这种核电站运行参数较低，建设投资大，发电成本高，在上世纪60年代末已停止建造。除英国还有4台MGR运行外，其余的均已停止运行。英国于1956年10月建成首台产钚发电两用、电功率45MWe的卡德霍尔（CalderHall）原型机组后，10年间陆续批量建造运行了26台该种机组，机组功率也得到明显提升。在1969年以前，英国是世界上核电装机总量最大的国家。

70年代美国轻水堆占领国际市场后，英国的石墨气冷堆很难同美国的轻水堆相竞争， 为提高机组的经济性，上世纪50年代后期，英国和工业界研究开发了改进气冷堆(AGR)，但仍不能同美国轻水堆相竞争，终于未能打进国际市场1。