核反應堆的冷卻劑是指用來冷卻核反應堆堆芯，並將堆芯所釋放的熱量載帶出核反應堆的工作介質，也稱載熱劑。除了由核燃料的核裂變產生熱量以外，其他部件也因吸收γ射線和慢化中子而發熱，所以對相關組件和堆內構件以及反射層、禁止層等也需要適當冷卻。但堆內約90%的發熱來自於燃料組件，冷卻的重點應當是燃料棒。
基本介紹
介紹,特點,常見冷卻劑及其特性,二氧化碳和氦,輕水及其蒸氣,液態金屬鈉,
介紹
核反應堆的冷卻劑是指用來冷卻核反應堆堆芯，並將堆芯所釋放的熱量載帶出核反應堆的工作介質，也稱載熱劑。除了由核燃料的核裂變產生熱量以外，其他部件也因吸收γ射線和慢化中子而發熱，所以對相關組件和堆內構件以及反射層、禁止層等也需要適當冷卻。但堆內約90%的發熱來自於燃料組件，冷卻的重點應當是燃料棒。
核反應堆的冷卻的特點是：第一，在穩態運行工況下，核反應堆是一種控制發熱型裝置，因為核裂變沒有溫度上限，為維持一定的溫度，必須採取可控冷卻措施;在停堆過程中也需要排除剩餘衰變熱量。第二，在異常和事故工況下，如出現燃料棒熱點、材料熔化時都應確保反應堆的冷卻條件；在喪失冷卻劑事故中，需啟動緊急堆芯冷卻系統。因此，冷卻劑的作用是非常重要的，它的功能是不可代替的。
為了在儘可能小的傳熱面積條件下從堆芯載帶出更多的熱量，得到更高的冷卻效率，冷卻劑可選用更具有適當熱物理性質，如比熱容和熱導率大、熔點低、沸點高的物質。冷卻劑的材料總是流體，但取決於反應堆的設計，可以採用液態，也可以採用氣態。目前大多數熱中子堆都使用輕水或重水作為冷卻劑材料；快中子堆採用液態金屬鈉，而氣冷堆則用CO2或氦作為冷卻劑材料。
特點
冷卻劑的特點是，具有良好的傳熱性和流動性，高沸點、低熔點、泵送功率低，對熱和輻射有良好的穩定性，在反應堆系統下不產生腐蝕，感生放射性低，中子俘獲截面小。常用的冷卻劑分氣體和液體兩類。氣體冷卻劑有二氧化碳和氦氣。其優點是選擇工作壓強和溫度時，可以完全獨立地進行，因而能實現高溫低壓運行；缺點是泵送功率大。液體冷卻劑有輕水、重水和液態金屬。後者具有熱導率高、蒸氣壓低的特點。快增殖堆常用液態鈉作冷卻劑。液態鈉熔點較低（98℃），熱導率高，但有一定腐蝕性，能使迴路管道因質量遷移而堵塞。此外，鈉吸收中子後會產生強放射性24Na，而且鈉很活潑，遇水即爆炸，故在設計熱交換器時要特別注意。
常見冷卻劑及其特性
二氧化碳和氦
二氧化碳和氦都是氣冷堆的冷卻劑。前者被廣泛使用於石墨氣冷堆(Magnox型)和改進型氣冷堆（AGR），它的優點是可以大量廉價製取，易於操作和處理；100℃以下化學惰性、冷卻載熱能力和輻射穩定性好；感生放射性小。但在更高的溫度下，CO2的化學性質活潑，與慢化劑石墨、鋼材結構的相容性成為制約的因素。因此在更高的使用溫度下，必須用氦來取代。至今，反應堆出口溫度在750~1000℃範圍的高溫氣冷堆都用氦作為冷卻劑。氦具有比熱容和熱導率高、中子吸收截面小、化學和輻射穩定性好等優點，但這是一種稀有氣體。生產工藝複雜，製造費用頗高。
(1)基本性質
(1)基本性質
CO2是無色、有刺激性臭味的氣體，可溶於水，其水溶性呈酸性。常溫下有化學惰性和不燃性。在不同的溫度和壓力下可呈氣態、液態和固態。CO2氣體的密度約為空氣的1. 5倍；約比氦氣高11倍。。在一定的壓力下，三種物性均隨溫度的提高而增大，一般在250℃以下，壓力越高，物性越大；但在250℃以上，壓力的影響就不明顯了。溫度越高，壓力的效應幾乎可以忽略。
氦無色、無味、無臭、無刺激性、不燃燒，質量僅高於氫氣。在所有元素中，氦的沸點最低，它的熱物性都比二氧化碳的高出好幾倍，尤其是它的熱導率更是作為載熱劑的最好條件。壓力對氦私度的效應很小，在300~750℃溫度範圍，氦的cp隨溫度升高而減小，最大不過0.07%；壓力從6. 9MPa提高到13. 8MPa，氦的cp增大也小於0.07%。
(2)與材料的反應
在600℃以下，CO2與石墨基本上不起反應，但在反應堆輻照條件下，由於CO2被活化而使石墨發生氣化反應。反應速率與核輻射強度、CO2密度及石墨孔隙度有關，溫度影響不顯著。因反應速率緩慢，對於Magnox型石墨反應堆，在20年壽期內，損耗量僅為5%。但在AGR內，由於冷卻劑壓力高，功率密度大，石墨損耗量就大。
在溫度高於625℃時，在堆內會引起石墨的劇烈氣化而使碳大量損耗。該氣化的機制是，由高溫引起的石墨表面活性原子與CO2發生反應，生成表面活性氧化物;之後氧化物分解，石墨便失去碳原子。在冷卻劑內添加0.1%甲烷可有效地降低損耗。
(3)純度管理
冷卻劑中的有害雜質如H2O、O2、及CL2等對堆芯材料產生腐蝕損耗，嚴重影響其使用性能和壽命。所以對不同類型反應堆使用的冷卻劑都有嚴格的純度標準。表3摘錄了石墨氣冷堆和高溫氣冷堆使用的CO2和He的純度標準示例。在石墨氣冷堆中，氣體雜質主要來自於氣體進料中的H2O、O2、及N2及其與石墨反應的產物H2、CO、CH4。CO2從液態經氣化後送人反應堆一迴路。水分由安裝在一迴路的氣體乾燥器清除。在反應堆運行條件下，其餘雜質由補給氣體與冷卻劑泄漏而保持平衡。根據現場監測分析，正常運行時冷卻劑中的雜質以CO為最多，約占總雜質體積分數的90%以上。其餘如H2O、O2均不難維持在規定範圍。
氦冷卻劑的雜質有裂變產物和化學雜質兩類，前一類是透過燃料顆粒包裹層的固態和氣態裂變產物。其釋放率約為10-5~10-4；後一類來自於水分和漏人的風機潤滑油。因雜質易於堆芯石墨發生反應，也會使金屬結構材料腐蝕，所以必須對氦冷卻劑進行淨化處理。一般在反應堆內從主冷卻迴路中引出部分氦，送人淨化系統，清除雜質後再返回主冷卻迴路。淨化系統由活性炭吸收塔去除裂變產物、CO、CO2和CH4；不鏽鋼纖維和分子篩除水、CO2；海綿鈦除H3和T2。
輕水及其蒸氣
在核反應堆中，輕水和重水都是重要的冷卻劑，但當今大多數商用核動力反應堆普遍使用輕水作為冷卻劑，主要基於它的可用性和低成本。水的另一個優點是它可兼為慢化劑，如壓水堆和沸水堆(水及其蒸汽)；還可作為禁止材料，如游泳池反應堆。但由於水所特有的物理化學特性，會在反應堆內使用時產生諸多的如雜質溶解、材料腐蝕、化學作用以及輻射分解等問題，對反應堆正常運行帶來不利的後果。
(1)基本物化性質
輕水的載度隨溫度上升迅速降低；比定壓熱容則隨溫度緩慢增大，約在3000℃以上急劇上升;輕水的熱導率在150℃時有一個極大值，在300℃附近又降至0.5W/(m℃)，但仍比氦大一倍左右。
(2)堆內輻照效應
輕水冷卻劑在堆內受中子照射以後產生兩種主要效應，即感生放射性和輻射分解。前一種效應是由冷卻劑雜質、包殼和結構材料的組成元素及其腐蝕產物等被中子活化所造成的，在進人冷卻劑後沉積於冷卻系統及輔助系統的管道內，提高了電廠設備和環境的放射性本底，給設備維修帶來困難，使操作人員受到不必要的輻射傷害。後一種效應是冷卻劑水在堆內受高能輻射的作用產生氧化性產物O、OH、H2O、H2O2、和還原性產物H、H2等，它們的產額與電離能力、劑量率、輻射時間和溫度、pH及溶液成分有關。
液態金屬鈉
低熔點鹼金屬(如Na、K、Li)和低熔點合金(如Pb-Bi等)因具有熔點低、沸點高、比熱容大和導熱性好等優點，曾被作為快中子堆冷卻劑的候選材料。但通過多年的試驗研究表明，只有液態金屬鈉在世界各國擁有的快中子堆上曾得到過或仍在得到實用。由於快中子堆堆芯功率密度比壓水堆的高出4倍，使用液態鈉可獲得很大的對流傳熱係數，達到可觀的熱流密度；其次，因鈉的相對密度小於1，使冷卻劑消耗的卿送功率只占輸出功率的1. 5%，與氦冷卻劑相比較(7%)就顯示出了它的優越性；第三，鈉與燃料包殼材料—不鏽鋼的相容性很好。雖然已發現有質量遷移問題，但對包殼耗蝕量僅為數十微米。如果對鈉中含氧量控制在小於5μg/g，就可以把腐蝕減到最低程度。此外，鈉有化學活潑性，與氧、水和鹵素起劇烈反應;一迴路鈉吸收中子生成34Na和22Na，釋放強γ射線以及結構材料受熱衝擊等缺點。
(1)鈉的基本性質
(1)鈉的基本性質
鈉的熔點與沸點相差785.2℃，足以使冷卻系統在常溫下工作。鈉有優越的熱物性，是良好的傳熱介質。此外，它還具有高的電導率(，可以採用電磁泵輸送，而且其密度小於1 g/cm3，泵的驅動力(即功率)較低。
在任何溫度下，鈉一水反應最強烈，絕不允許他們接觸。鈉暴露在空氣中就會與氧發生劇烈的化學反應。所以鈉的操作、儲存都要用惰性氣體覆蓋保護;當鈉的溫度高於125℃時，與空氣中的氧反應，發生燃燒，生成氧化鈉煙霧，這種現象稱為鈉火。為了保證鈉的安全使用，對儲鈉容器、鈉迴路均需有防漏監測措施，對鈉火需設定專門的自動滅火器；其次，在300℃以上，鈉對氫也有較大的活性；與鹵素中氟、氯也有著火或化學反應現象。
(2)與結構材料的相容性
在堆芯結構材料中，Fe、Cr、Ni、Co、Mo、NI等在鈉中的溶解度小。一般而言，常用的包殼和結構材料316不鏽鋼、鎳基合金和2. 25CrlMo鋼都可與鈉相容。但在一、二迴路中316不鏽鋼和2. 25CrlMo鋼在鈉中的質量遷移現象不可忽視。
在快中子堆中它們分別用做包殼、堆芯部件、管道和蒸發器管材質量遷移的過程可簡單敘述如下：一迴路高溫區不鏽鋼中的Cr、Ni和Mn發生選擇性溶解和脫碳，在材料表層形成它們的濃度梯度，使奧氏體結構不穩定並出現富Fe、貧Cr、Ni、Mn的鐵素體層。此外，溶解的Cr則以NaCrO2和碳化鉻形式沉澱在系統的冷區，而Ni和Mn以金屬顆粒形式相伴沉澱分布在冷區管壁上。這種選擇溶解程度受溫度和鈉中含氧量的影響，它使材料表面的成分、顯微特徵和沉澱形式發生變化。質量遷移的主要危害在於冷區沉澱容易造成流道堵塞，放射性核素51Cr、54Mn、60CO的遷移，還給部件的維修和輻射禁止帶來困難。另外，合金元素碳化將從高碳活性區透過鈉向低碳活性區遷移，這使材料最終碳濃度與初始值完全不同。
(3)純度管理
(3)純度管理
冷卻劑鈉中的有害雜質主要是氧、碳和氫。對於堆用鈉各國都制定了純度標準。雖然對不同快中子堆用鈉的純度要求各有差異，但一般對O2、C、H2雜質都要求介於大致的範圍。因此，無論是在生產中，還是在反應堆上都必須對鈉進行純度管理。它應包括兩個方面的技術和設備。一是在生產廠和反應堆上建立線上監測和分析儀器，用於分析鈉和覆蓋氣體中的雜質，也可以顯示一迴路覆蓋氣體的氛水平和蒸汽發生器的泄漏程度；二是在反應堆旁建立鈉淨化裝置，以便對超標的迴路鈉和補鈉進行必要的淨化處理。
