氦冷卻核反應堆

氦冷卻核反應堆是第三代氣冷堆，它是石墨作為慢化劑，氦氣作為冷卻劑的反應堆，屬第四代核能系統——高溫氣冷堆。

基本介紹

• 中文名：氦冷卻核反應堆
• 外文名：Helium cooled nuclear reactor
• 類別：高溫氣冷堆

簡介

氦冷卻核反應堆是第三代氣冷堆，它是石墨作為慢化劑，氦氣作為冷卻劑的反應堆，屬第四代核能系統——高溫氣冷堆。這裡所說的高溫是指氣體的溫度達到了較高的程度。因為在這種反應堆中，採用了陶瓷材料和耐高溫的石墨結構材料，並用了惰性的氦氣作冷卻劑，這樣，就把氣體的溫度提高到750℃以上。同時，由於結構材料石墨吸收中子少，從而加深了燃耗。另外，由於顆粒狀燃料的表面積大、氦氣的傳熱性好和堆芯材料耐高溫，所以改善了傳熱性能，提高了功率密度。這樣，氦冷卻核反應堆成為一種高溫、深燃耗和高功率密度的堆型。

石島灣核電高溫氣冷堆核電站示範工程是國內第一座高溫氣冷堆示範電站，是世界上第一座具有第四代核能系統安全特徵的20萬千瓦級高溫氣冷堆核電站。石島灣核電廠址位於榮成市，高溫氣冷堆核電站示範工程計畫已經於2012年12月正式開工建設。

工作過程

它的簡單工作過程是，氦氣冷卻劑流過謎料體之間，變成了高溫氣體，高溫氣體通過蒸汽發生器產生蒸汽，蒸汽帶動汽輪發電機發電。

核材料

氦冷卻核反應堆的核燃料，是用溶膠凝膠法，將二氧化鈾或碳化鈾製成直徑小於1mm的小球，其外部包裹著熱解碳塗層和碳化矽塗層。每個小球一般塗三層，最內的塗層疏鬆多孔，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衝；最外的塗層比較緻密，可以阻擋裂變氣體的外逸。這兩層之間是阻擋固體裂變產物外逸的碳化矽塗層。將這種塗層顆粒燃料與石墨粉均勻混合之後，外面再包一些石墨粉，就可製成稜柱形、圓柱形或珠形燃料元件。柱形元件之間有氣體流過的通道，球形元件則是實心的。球形元件堆放時，彼此間有空隙可供氣體流過。由於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幾乎不會破裂。高溫氣冷堆的冷卻劑是氦氣，在氦循環風機的驅動下不斷通過堆芯將裂變能帶出，進行閉式循環。堆芯放在有石墨襯裡的預應力混凝土壓力容器內。

冷卻劑

氦冷卻核反應堆的冷卻劑是氦氣，球形元件重疊時，彼此間有空隙可供高溫氦氣流過。在氦循環風機的驅動下，氦氣不斷通過堆芯將裂變熱帶出，進行閉式循環。氦氣的壓力一般為4MPa。目前的高溫氣冷堆分為三種：第一種是用蒸汽進行間接循環的高溫氣冷堆。其反應堆出口溫度約750℃，氦氣壓力為4MPa。如果是100萬kW的高溫氣冷堆，每小時的氦氣流量達4600t。這種閉式循環的高溫氦氣經過蒸汽發生器管內時，使蒸汽發生器管外流動著的二迴路的水變為高溫蒸汽，向壓水堆那樣去推動汽輪發電機。這種間接循環的高溫氣冷堆的基建投資估計比相同規模的壓水堆核電站高出40%，而且要用90%富集度的高濃鈾，經濟上沒有競爭力。第二種是直接循環的高溫氣冷堆。這種堆產生850℃的高溫氦氣，不經過蒸汽發生器這一中間環節，直接去推動氦汽輪機。氦汽輪機排出
的餘熱又可以供氨蒸汽循環使用。採用這種雙重循環發電，熱能利用率可達50%。也可利用氦汽輪機餘熱供熱，使之成為核熱電站。由於高溫氣冷堆逸出的放射性甚微，用來自反應堆堆芯的高溫氦氣直接推動氦汽輪機時，不會像沸水堆核電站直接循環那樣給檢修造成困難。第三種是特高溫氣冷堆。這種堆的氦氣出口溫度大950℃以上，可以煉鋼、生產氫氣、煤的液化和氣化等。如果在燃氣輪機後增加兩道氨蒸汽循環發電，則熱能利用效率可達60%。研製後兩種高溫氣冷堆的主要困難是材料。在850-1200℃範圍內，目前採用的材料的強度難以滿足需要。氦循環風機、氦汽輪機等大型設備也需要進行研製。

優點

氦氣是一種惰性氣體，化學性質不活潑，容易淨化，不引起材料的腐蝕。氦氣的中子吸收截面極小，它的熱導率為二氧化碳的4.5倍，比熱容為二氧比碳的3.5倍，輸送時消耗的功率僅略高於氫而低於其它氣體。它透明，便於裝卸料操作。另外由於石墨耐高溫，所以氦氣的溫度可以提高到750~1200℃。這樣一來，除了可在發電時提高熱能利用效率外，還可為煉鋼、煤的汽化、生產氫氣等提供高溫熱源，從而減少了電能這一中間轉換環節。由於餘熱的份額少，又便於用空氣冷卻塔，熱污染少，因而這種堆可以建在冷卻水源不足的地方。

缺點

氦冷卻核反應堆的發展過程中也碰到多種難題，目前比較一致的看法是，氦冷卻核反應堆如果不在氦氣直接循環和高溫供熱上取得技術突破，要想在市場上與水冷堆競爭是很困難的。但不可否認的是氦冷卻核反應堆具有其它堆型無法代替的優點，在能源結構中具有特殊的地位和發展前景，因而值得人們進一步的探索和研究。