[科普中国]-反应堆冷却剂

介绍

核反应堆的冷却剂是指用来冷却核反应堆堆芯，并将堆芯所释放的热量载带出核反应堆的工作介质，也称载热剂。除了由核燃料的核裂变产生热量以外，其他部件也因吸收γ射线和慢化中子而发热，所以对相关组件和堆内构件以及反射层、屏蔽层等也需要适当冷却。但堆内约90%的发热来自于燃料组件，冷却的重点应当是燃料棒。

核反应堆的冷却的特点是：第一，在稳态运行工况下，核反应堆是一种控制发热型装置，因为核裂变没有温度上限，为维持一定的温度，必须采取可控冷却措施;在停堆过程中也需要排除剩余衰变热量。第二，在异常和事故工况下，如出现燃料棒热点、材料熔化时都应确保反应堆的冷却条件；在丧失冷却剂事故中，需启动紧急堆芯冷却系统。因此，冷却剂的作用是非常重要的，它的功能是不可代替的。

为了在尽可能小的传热面积条件下从堆芯载带出更多的热量，得到更高的冷却效率，冷却剂可选用更具有适当热物理性质，如比热容和热导率大、熔点低、沸点高的物质。冷却剂的材料总是流体，但取决于反应堆的设计，可以采用液态，也可以采用气态。目前大多数热中子堆都使用轻水或重水作为冷却剂材料；快中子堆采用液态金属钠，而气冷堆则用CO2或氦作为冷却剂材料。2

特点冷却剂的特点是，具有良好的传热性和流动性，高沸点、低熔点、泵送功率低，对热和辐射有良好的稳定性，在反应堆系统下不产生腐蚀，感生放射性低，中子俘获截面小。常用的冷却剂分气体和液体两类。气体冷却剂有二氧化碳和氦气。其优点是选择工作压强和温度时，可以完全独立地进行，因而能实现高温低压运行；缺点是泵送功率大。液体冷却剂有轻水、重水和液态金属。后者具有热导率高、蒸气压低的特点。快增殖堆常用液态钠作冷却剂。液态钠熔点较低（98℃），热导率高，但有一定腐蚀性，能使回路管道因质量迁移而堵塞。此外，钠吸收中子后会产生强放射性24Na，而且钠很活泼，遇水即爆炸，故在设计热交换器时要特别注意。

常见冷却剂及其特性二氧化碳和氦二氧化碳和氦都是气冷堆的冷却剂。前者被广泛使用于石墨气冷堆(Magnox型)和改进型气冷堆（AGR），它的优点是可以大量廉价制取，易于操作和处理；100℃以下化学惰性、冷却载热能力和辐射稳定性好；感生放射性小。但在更高的温度下，CO2的化学性质活泼，与慢化剂石墨、钢材结构的相容性成为制约的因素。因此在更高的使用温度下，必须用氦来取代。至今，反应堆出口温度在750~1000℃范围的高温气冷堆都用氦作为冷却剂。氦具有比热容和热导率高、中子吸收截面小、化学和辐射稳定性好等优点，但这是一种稀有气体。生产工艺复杂，制造费用颇高。
(1)基本性质

CO2是无色、有刺激性臭味的气体，可溶于水，其水溶性呈酸性。常温下有化学惰性和不燃性。在不同的温度和压力下可呈气态、液态和固态。CO2气体的密度约为空气的1. 5倍；约比氦气高11倍。。在一定的压力下，三种物性均随温度的提高而增大，一般在250℃以下，压力越高，物性越大；但在250℃以上，压力的影响就不明显了。温度越高，压力的效应几乎可以忽略。

氦无色、无味、无臭、无刺激性、不燃烧，质量仅高于氢气。在所有元素中，氦的沸点最低，它的热物性都比二氧化碳的高出好几倍，尤其是它的热导率更是作为载热剂的最好条件。压力对氦私度的效应很小，在300~750℃温度范围，氦的cp随温度升高而减小，最大不过0.07%；压力从6. 9MPa提高到13. 8MPa，氦的cp增大也小于0.07%。

(2)与材料的反应

在600℃以下，CO2与石墨基本上不起反应，但在反应堆辐照条件下，由于CO2被活化而使石墨发生气化反应。反应速率与核辐射强度、CO2密度及石墨孔隙度有关，温度影响不显著。因反应速率缓慢，对于Magnox型石墨反应堆，在20年寿期内，损耗量仅为5%。但在AGR内，由于冷却剂压力高，功率密度大，石墨损耗量就大。

在温度高于625℃时，在堆内会引起石墨的剧烈气化而使碳大量损耗。该气化的机制是，由高温引起的石墨表面活性原子与CO2发生反应，生成表面活性氧化物;之后氧化物分解，石墨便失去碳原子。在冷却剂内添加0.1%甲烷可有效地降低损耗。

(3)纯度管理

冷却剂中的有害杂质如H2O、O2、及CL2等对堆芯材料产生腐蚀损耗，严重影响其使用性能和寿命。所以对不同类型反应堆使用的冷却剂都有严格的纯度标准。表3摘录了石墨气冷堆和高温气冷堆使用的CO2和He的纯度标准示例。在石墨气冷堆中，气体杂质主要来自于气体进料中的H2O、O2、及N2及其与石墨反应的产物H2、CO、CH4。CO2从液态经气化后送人反应堆一回路。水分由安装在一回路的气体干燥器清除。在反应堆运行条件下，其余杂质由补给气体与冷却剂泄漏而保持平衡。根据现场监测分析，正常运行时冷却剂中的杂质以CO为最多，约占总杂质体积分数的90%以上。其余如H2O、O2均不难维持在规定范围。

氦冷却剂的杂质有裂变产物和化学杂质两类，前一类是透过燃料颗粒包裹层的固态和气态裂变产物。其释放率约为10-5~10-4；后一类来自于水分和漏人的风机润滑油。因杂质易于堆芯石墨发生反应，也会使金属结构材料腐蚀，所以必须对氦冷却剂进行净化处理。一般在反应堆内从主冷却回路中引出部分氦，送人净化系统，清除杂质后再返回主冷却回路。净化系统由活性炭吸收塔去除裂变产物、CO、CO2和CH4；不锈钢纤维和分子筛除水、CO2；海绵钛除H3和T2。

轻水及其蒸气在核反应堆中，轻水和重水都是重要的冷却剂，但当今大多数商用核动力反应堆普遍使用轻水作为冷却剂，主要基于它的可用性和低成本。水的另一个优点是它可兼为慢化剂，如压水堆和沸水堆(水及其蒸汽)；还可作为屏蔽材料，如游泳池反应堆。但由于水所特有的物理化学特性，会在反应堆内使用时产生诸多的如杂质溶解、材料腐蚀、化学作用以及辐射分解等问题，对反应堆正常运行带来不利的后果。

(1)基本物化性质

轻水的载度随温度上升迅速降低；比定压热容则随温度缓慢增大，约在3000℃以上急剧上升;轻水的热导率在150℃时有一个极大值，在300℃附近又降至0.5W/(m℃)，但仍比氦大一倍左右。

(2)堆内辐照效应

轻水冷却剂在堆内受中子照射以后产生两种主要效应，即感生放射性和辐射分解。前一种效应是由冷却剂杂质、包壳和结构材料的组成元素及其腐蚀产物等被中子活化所造成的，在进人冷却剂后沉积于冷却系统及辅助系统的管道内，提高了电厂设备和环境的放射性本底，给设备维修带来困难，使操作人员受到不必要的辐射伤害。后一种效应是冷却剂水在堆内受高能辐射的作用产生氧化性产物O、OH、H2O、H2O2、和还原性产物H、H2等，它们的产额与电离能力、剂量率、辐射时间和温度、pH及溶液成分有关。

液态金属钠低熔点碱金属(如Na、K、Li)和低熔点合金(如Pb-Bi等)因具有熔点低、沸点高、比热容大和导热性好等优点，曾被作为快中子堆冷却剂的候选材料。但通过多年的试验研究表明，只有液态金属钠在世界各国拥有的快中子堆上曾得到过或仍在得到实用。由于快中子堆堆芯功率密度比压水堆的高出4倍，使用液态钠可获得很大的对流传热系数，达到可观的热流密度；其次，因钠的相对密度小于1，使冷却剂消耗的卿送功率只占输出功率的1. 5%，与氦冷却剂相比较(7%)就显示出了它的优越性；第三，钠与燃料包壳材料—不锈钢的相容性很好。虽然已发现有质量迁移问题，但对包壳耗蚀量仅为数十微米。如果对钠中含氧量控制在小于5μg/g，就可以把腐蚀减到最低程度。此外，钠有化学活泼性，与氧、水和卤素起剧烈反应;一回路钠吸收中子生成34Na和22Na，释放强γ射线以及结构材料受热冲击等缺点。
**(1)**钠的基本性质

钠的熔点与沸点相差785.2℃，足以使冷却系统在常温下工作。钠有优越的热物性，是良好的传热介质。此外，它还具有高的电导率(，可以采用电磁泵输送，而且其密度小于1 g/cm³，泵的驱动力(即功率)较低。

在任何温度下，钠一水反应最强烈，绝不允许他们接触。钠暴露在空气中就会与氧发生剧烈的化学反应。所以钠的操作、储存都要用惰性气体覆盖保护;当钠的温度高于125℃时，与空气中的氧反应，发生燃烧，生成氧化钠烟雾，这种现象称为钠火。为了保证钠的安全使用，对储钠容器、钠回路均需有防漏监测措施，对钠火需设置专门的自动灭火器；其次，在300℃以上，钠对氢也有较大的活性；与卤素中氟、氯也有着火或化学反应现象。

(2)与结构材料的相容性

在堆芯结构材料中，Fe、Cr、Ni、Co、Mo、NI等在钠中的溶解度小。一般而言，常用的包壳和结构材料316不锈钢、镍基合金和2. 25CrlMo钢都可与钠相容。但在一、二回路中316不锈钢和2. 25CrlMo钢在钠中的质量迁移现象不可忽视。

在快中子堆中它们分别用做包壳、堆芯部件、管道和蒸发器管材质量迁移的过程可简单叙述如下：一回路高温区不锈钢中的Cr、Ni和Mn发生选择性溶解和脱碳，在材料表层形成它们的浓度梯度，使奥氏体结构不稳定并出现富Fe、贫Cr、Ni、Mn的铁素体层。此外，溶解的Cr则以NaCrO2和碳化铬形式沉淀在系统的冷区，而Ni和Mn以金属颗粒形式相伴沉淀分布在冷区管壁上。这种选择溶解程度受温度和钠中含氧量的影响，它使材料表面的成分、显微特征和沉淀形式发生变化。质量迁移的主要危害在于冷区沉淀容易造成流道堵塞，放射性核素51Cr、54Mn、60CO的迁移，还给部件的维修和辐射屏蔽带来困难。另外，合金元素碳化将从高碳活性区透过钠向低碳活性区迁移，这使材料最终碳浓度与初始值完全不同。
(3)纯度管理

冷却剂钠中的有害杂质主要是氧、碳和氢。对于堆用钠各国都制定了纯度标准。虽然对不同快中子堆用钠的纯度要求各有差异，但一般对O2、C、H2杂质都要求介于大致的范围。因此，无论是在生产中，还是在反应堆上都必须对钠进行纯度管理。它应包括两个方面的技术和设备。一是在生产厂和反应堆上建立在线监测和分析仪器，用于分析钠和覆盖气体中的杂质，也可以显示一回路覆盖气体的氛水平和蒸汽发生器的泄漏程度；二是在反应堆旁建立钠净化装置，以便对超标的回路钠和补钠进行必要的净化处理。2