氫冷堆

氫冷堆利用氫氣體作冷卻劑來傳送反應堆內熱量的一種核反應堆堆型。

原理

利用氫氣體作冷卻劑來傳送反應堆內熱量的一種核反應堆堆型。迄今世界上典型的氣冷堆是使用石墨作慢化劑的石墨氣冷堆。

階段

它經歷了3個發展階段,產生了天然鈾氫冷堆、改進型氫冷堆和高溫氫冷堆3種。

天然鈾氫冷堆

原稱鎂諾克斯堆。以金屬天然鈾為燃料，二氧化碳為冷卻劑。它的堆心由精純的石墨塊堆砌而成。在石墨砌體中有許多裝有棒狀燃料元件的通道，以便加壓的冷卻劑流過，將堆內的熱量帶出。為了改善傳熱，燃料元件包殼上帶有許多肋片。從堆心出來的熱氣體在蒸汽發生器中將熱量傳給二迴路內的水以產生蒸汽，然後藉助於循環風機將二氧化碳冷卻劑壓送回堆心。整個堆心包容在一個鋼製或預應力混凝土的壓力殼內。第一座天然鈾氣冷堆電站是1956年開始運行的英國卡德蒙爾核電站。這種堆型的最大優點是採用價廉易得的天然鈾；缺點是功率密度低，堆心體積大，造價高，同時受金屬鈾和鎂合金許用溫度的限制而使冷卻劑的出口溫度只能達到400℃左右。因而所產生的蒸汽參數較低,核電站的熱效率僅為30%左右。因此，在60年代末便不再建造此種堆了。

改進型氫冷堆(AGR)

為了提高冷卻劑的堆心出口溫度和蒸汽發生器傳熱效率，從而提高二迴路的蒸汽參數和熱效率，將燃料元件的包殼改用不鏽鋼，燃料改用二氧化鈾。由於採用這些材料會使堆內的有害中子吸收增大,因此需將二氧化鈾中的豐度提高到2～3%,即使用低濃鈾燃料。其堆心結構與天然鈾氣冷堆類似，但蒸汽發生器布置在反應堆四周並一起包容在預應力混凝土壓力殼內。二氧化碳冷卻劑的堆心出口溫度為650℃左右。英國自1965年起已建造了14座改進型氣冷堆，裝機容量8658MWe。

高溫氫冷堆

一種新型的先進氣冷堆。它採用陶瓷型塗敷顆粒燃料。即在直徑為200～400的氧化鈾或碳化鈾心的外面塗敷2～3層的熱解炭和碳化矽，然後將此近於1mm的燃料顆粒彌散在石墨基體中壓製成燃料元件。同時採用傳熱性好的惰性氣體氦作為冷卻劑以替代二氧化碳。這樣，高溫氣冷堆的冷卻劑出口溫度可提高到750℃以上，並具有以下3個突出的優點：①具有良好的固有安全性。此種堆心熱容量大並具有較大的負反應性溫度係數。因此，當發生事故時會自動停堆，溫升緩慢，不可能發生堆心熔化。同時，氦不活化，在運行和維修時放射性低。②燃料循環靈活。核燃料轉換比高和燃料的燃耗深。高溫氣冷堆不僅可以使用高濃鈾+釷燃料，也可使用低濃鈾燃料。燃料的燃耗深度可達10萬兆瓦/比。因此燃料的經濟性好,燃料成本低。③當前可以採用高郊率的常規發電機組(電站熱效率達40%)生產電力和工業用蒸汽（供石油化工企業和重質稠油開採用），今後可使用燃氣輪機進一步提高熱效率，並利用高溫工藝熱進行煤的氣化油頁岩提取和裂解水制氫等。