4．氣冷堆
輕水和重水統(tǒng)稱為水，因此輕水堆和重水堆可統(tǒng)稱為水堆或水冷堆。除了用水冷卻外，還有用氣體作為冷卻劑的氣冷堆。水的主要缺點(diǎn)是會(huì)發(fā)生由液體到蒸汽的相變，使傳熱性能突然變壞，存在核燃料熔化、元件包殼管破損和放射性物質(zhì)外逸的風(fēng)險(xiǎn)。而氣體的主要優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)發(fā)生相變。但是氣體的密度低，熱量傳輸能力差，循環(huán)時(shí)消耗的功率大。為了提高氣體的密度及熱傳輸能力，也需要適當(dāng)增加壓力。
氣冷堆在發(fā)展過程中，經(jīng)歷了三個(gè)階段。第一階段是天然鈾石墨氣冷堆。它的石墨堆芯中有一些通道，放入天然鈾制成的金屬鈾燃料元件。在通道中流過2.5MPa左右的二氧化碳?xì)怏w，將燃料元件放出的裂變能帶出堆外。在蒸汽發(fā)生器里，由堆內(nèi)來的高溫二氧化碳使二回路的水變成高溫蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。但石墨的慢化能力比輕水和重水都低，為了使裂變產(chǎn)生的快中子充分慢化，就需要大量的石墨。加上二氧化碳熱傳輸能力較差，使這種堆體積龐大，其功率密度比壓水堆低一百多倍。而且，當(dāng)二氧化碳超過360℃時(shí)，會(huì)使鋼材受到腐蝕，因而限制了冷卻劑的溫度，使得熱能利用效率只有24％。鑒于此，從20世紀(jì)60年代初期起，就轉(zhuǎn)向研究改進(jìn)型氣冷堆。
第二階段的改進(jìn)型氣冷堆，仍然用石墨慢化和二氧化碳冷卻。為了提高冷卻劑的溫度，元件包殼改用不銹鋼。由于采用二氧化鈾陶瓷燃料及濃縮鈾，隨著冷卻劑溫度及壓力的提高，這種堆的熱能利用效率達(dá)40％，功率密度也有很大提高。第一座這樣的改進(jìn)型氣冷堆在英國(guó)建成后普遍認(rèn)為性能不錯(cuò)。但當(dāng)時(shí)英國(guó)過高地估計(jì)了所取得的成就，就跳過示范堆直接發(fā)展商用堆，準(zhǔn)備建造十座一百三十多萬(wàn)千瓦的改進(jìn)型氣冷堆雙堆電站。然而在開始建造后不久就發(fā)現(xiàn)蒸汽發(fā)生器由于腐蝕及振動(dòng)引起的疲勞而不能使用，且問題一個(gè)接著一個(gè)，使原計(jì)劃1974年建成的電站，推遲到1983年才開始送電，基建投資增加了將近四倍。后建的幾座堆雖有所改善，但進(jìn)度也推遲了四至六年，實(shí)際投資也超過預(yù)算很多。由于工程進(jìn)度推遲，不得不建造火力發(fā)電廠發(fā)電，造成的經(jīng)濟(jì)損失無法估量。
由于改進(jìn)型氣冷堆的波折，加上輕水堆的大量發(fā)展，英國(guó)在核電上的技術(shù)迅速被美國(guó)、日本、法國(guó)和前蘇聯(lián)等國(guó)超過。由于改進(jìn)型氣冷堆在經(jīng)濟(jì)上的競(jìng)爭(zhēng)能力差，英國(guó)政府決定，放棄對(duì)改進(jìn)型氣冷堆的研究，改從美國(guó)引入壓水堆。
第三階段的高溫氣冷堆，是一種安全性、經(jīng)濟(jì)性好的新型核反應(yīng)堆，它改用氦氣作冷卻劑，石墨作慢化材料，采用包覆顆粒燃料和石墨構(gòu)成的球形燃料元件，并采用全陶瓷的堆芯結(jié)構(gòu)材料。高溫氣冷堆發(fā)電效率很高，并可用于煤的液化和氣化、稠油熱采、制氫等，在未來的能源系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)于改善環(huán)境、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
高溫氣冷堆的核燃料，是用溶膠凝膠法，將二氧化鈾或碳化鈾制成直徑小于1mm的小球，其外部包裹著熱解碳涂層和碳化硅涂層。每個(gè)小球一般涂三層，最內(nèi)的涂層疏松多孔，可以使燃料小球因升溫和輻照腫脹而造成的體積膨脹得到緩沖；最外的涂層比較致密，可以阻擋裂變氣體的外逸。這兩層之間是阻擋固體裂變產(chǎn)物外逸的碳化硅涂層。將這種涂層顆粒燃料與石墨粉均勻混合之后，外面再包一些石墨粉，就可制成棱柱形、圓柱形或珠形燃料元件。柱形元件之間有氣體流過的通道，球形元件則是實(shí)心的。球形元件堆放時(shí)，彼此間有空隙可供氣體流過。由于每顆燃料小球有多層包殼，而且每顆燃料小球之間都有石墨包圍，所以這種燃料元件在堆內(nèi)幾乎不會(huì)破裂。高溫氣冷堆的冷卻劑是氦氣，在氦循環(huán)風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下不斷通過堆芯將裂變能帶出，進(jìn)行閉式循環(huán)。堆芯放在有石墨襯里的預(yù)應(yīng)力混凝土壓力容器內(nèi)。
氦氣是一種惰性氣體，化學(xué)性質(zhì)不活潑，容易凈化，不引起材料的腐蝕。氦氣的中子吸收截面極小，它的熱導(dǎo)率為二氧化碳的4.5倍，比熱容為二氧比碳的3.5倍，輸送時(shí)消耗的功率僅略高于氫而低于其它氣體。它透明，便于裝卸料操作。另外由于石墨耐高溫，所以氦氣的溫度可以提高到750~1200℃。這樣一來，除了可在發(fā)電時(shí)提高熱能利用效率外，還可為煉鋼、煤的汽化、生產(chǎn)氫氣等提供高溫?zé)嵩矗瑥亩鴾p少了電能這一中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。由于余熱的份額少，又便于用空氣冷卻塔，熱污染少，因而這種堆可以建在冷卻水源不足的地方。
高溫氣冷堆使用球形元件時(shí)，可以連續(xù)裝卸核燃料。另外，高溫氣冷堆可以裝載大量的釷，由于石墨吸收熱中子幾率小，因此這種堆型除維持裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)以外，還有較多的剩余中子可用來將232Th轉(zhuǎn)化為233U，有利于釷資源的利用。
由于堆內(nèi)有大量的石墨，所以堆芯熱容量大。壓水堆發(fā)生堆芯失水事故幾分鐘后燃料芯塊溫度就可升高到2000℃以上，而高溫氣冷堆發(fā)生氦氣系統(tǒng)破裂事故后，要過一兩天才會(huì)使堆芯燃料溫度由于剩余發(fā)熱而升高到2000℃。再加上堆芯熔化的可能性很小，所以堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng)即使失效，也可以僅僅依靠物體熱傳導(dǎo)、自然對(duì)流和自然循環(huán)等原理，而不需要人為的措施，就將事故的后果控制在允許的范圍內(nèi)。因?yàn)樗踩院茫派湫葬尫帕可伲赃@種堆更能靠近大城市建造，從而可以減少能量輸送時(shí)的損失。
英國(guó)、美國(guó)和西德先后建起了三座高溫氣冷試驗(yàn)堆，特別是西德的球床堆，燃耗深度超過壓水堆幾倍。原設(shè)計(jì)氦氣出口溫度為750℃，后來相繼提高到850℃和950℃。由于高溫氣冷堆在技術(shù)上具有水冷堆無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因而在國(guó)際上引起了普遍重視。
高溫氣冷堆的發(fā)展過程中也碰到多種難題，目前比較一致的看法是，高溫氣冷堆如果不在氦氣直接循環(huán)和高溫供熱上取得技術(shù)突破，要想在市場(chǎng)上與水冷堆競(jìng)爭(zhēng)是很困難的。但不可否認(rèn)的是高溫氣冷堆具有其它堆型無法代替的優(yōu)點(diǎn)，在能源結(jié)構(gòu)中具有特殊的地位和發(fā)展前景，因而值得人們進(jìn)一步的探索和研究。
石島灣核電高溫氣冷堆核電站示范工程是國(guó)內(nèi)第一座高溫氣冷堆示范電站，是世界上第一座具有第四代核能系統(tǒng)安全特征的20萬(wàn)千瓦級(jí)高溫氣冷堆核電站。石島灣核電廠址位于榮成市，高溫氣冷堆核電站示范工程計(jì)劃已經(jīng)于2012年12月正式開工建設(shè)。
