球床反應堆亦稱卵石床反應堆，是一種先進的核子反應堆設計。反應堆使用惰性氣體或接近惰性氣體，如氦氣作為冷卻劑，在高溫下直接推動渦輪引擎。
基本介紹
- 中文名：球床反應堆
- 別名：卵石床反應堆
- 類型：先進的核子反應堆設計
- 使用氣體：惰性氣體或接近惰性氣體
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簡介
球床反應堆的這種科技增加了反應堆的安全及效率。反應堆的核燃料密度比一般的反應堆低，就算是失去冷卻，亦不會出現核芯熔解。反應堆使用惰性氣體或接近惰性氣體，如氦、氮、二氧化碳作為冷卻劑，在高溫下直接推動渦輪引擎。由於毋須處理蒸氣，系統的熱能效率可以得到提高。
設計
球床反應堆把鈾、釷或鈽氧化物核燃料,包裝在網球大小，以熱分解石墨製成的球狀容器內。球狀燃料放置在罐狀容器內，讓氦、氮、或二氧化碳冷卻劑在燃料球之間通過，將熱能帶走。冷卻劑可以直接推動渦輪，亦可以經過熱交換，以第二循環的氣體或蒸氣推動渦輪。
優點
球床反應堆的最大優點是它本身比較安全。當球狀燃料的溫度增加時，鈾238吸收中子的速率亦會增加，令可供引致核裂變的中子減少。故此這種反應堆可產生的能量有自然的限制。反應堆的容器被設計成在沒有機械幫助下，散熱會多於核燃料自然產生的熱能。因此從理論上，球床反應堆不可能出現核芯熔解。而且由於核燃料是被包圍在燃料球之內，若果一個燃料球爆裂，亦只會釋放出較少的核燃料。
球床反應堆比一般輕水式反應堆的運行溫度較高，故此球床式能夠以更少的核燃料，產生較多的動能。
球床反應堆可以無需使用控制桿，以溫度控制反應堆的輸出功率。這樣反應堆的設計便毋需考慮控制桿插進深淺程度不同時對中子的影響；而且輸出功率可以根據需求，透過控制冷卻劑的流量或密度而快速增減。部分球床反應堆仍然有保留控制桿，以便維修時使用。
歷史
固定式的球床反應堆，燃料是可以不停的更換，毋需好像一般反應堆般，每隔數年要把反應堆關閉數星期更換燃料。多個球狀燃料放在桶狀容器內，燃料球每年循環約十次。每次循環把一個或數個燃料球取出檢驗，需要時更換成新的。舊燃料球則成為核廢料。
球床反應堆
球床反應堆這種球床反應堆的概念是德國教授RUDOLF SCHULTEN在 1950年代提出的。1966年德國於Jülich 建成第一座 15兆瓦，簡稱AVR的試驗反應堆。之後並一路運行，直至1988年12月1日，在蘇聯切爾諾貝爾核電廠泄漏輻射之後關閉。
AVR 使用氦作為冷卻劑。氦很少會吸收中子，亦很少感應變成具放射性，因此氦冷卻劑的放射性並不強烈。AVR 直接使用冷卻劑推動發電。
北京清華大學的球床反應堆是使用AVR 的技術，於2004年9月建成十兆瓦的實驗堆，名為HTR-10。實驗堆內有接近27,000個燃料球，以氦作為冷卻劑，直接推動發電。華能已宣布在山東威海建造首座投產的球床反應堆，功率為195兆瓦，預計於五年內運作。中國有計畫在2020年前興建三十座球床式反應堆。清華大學亦有計畫研究以反應堆產生的高溫氣體分解蒸氣，製造氫氣，以供將來的氫汽車使用。
南非的 Eskom 是球床反應堆技術的領導者之一。南非出口鈾礦，但卻入口石油。Eskom 設計的球床反應堆主要供發電廠在用高峰時快速增加發電量，亦可供海水化淡。計畫將建造110兆瓦的實驗反應堆。不過由於民間環保團體的反對，建造計畫仍在司法過程審理當中。
流動設計
由於球床反應堆不一定需要笨重的壓力外殼，亦沒有巨大的蒸氣冷卻塔，因此體積及重量很低，有可能用來推動交通工具。荷蘭 Romawa 設計了 8兆瓦的球床反應堆，以氦氣加熱空氣推動傳統渦輪機。目的是用來替代輪船上原來使用柴油發動機，又或者代替在偏遠地區及後備使用的柴油或燃氣發電機。這種設計更換燃料時可將整個反應堆搬走，在工廠內進行。美國亦有研究在潛艇上使用球床式反應堆。
球床反應堆
球床反應堆安全措施
當球狀燃料的溫度增加，鈾238吸收中子的速率亦會增加，令可供引致鈾235核裂變的中子減少。這種現象稱為都卜勒擴展 (Doppler Broadening)。在一般的傳統反應堆，由於核燃料的密度較高，所以這種現象不具很大的作用。球床反應堆的燃料密度較低，故此這種反應堆可產生的能量，就算不經人手操作，亦有自然的限制。反應堆的容器被設計成在沒有機械幫助下，散熱會多於核燃料自然產生的熱能。而且冷卻劑是惰性氣體，不會助燃或燃燒，亦不像普通的輕水反應堆可能出現蒸氣爆炸。倘若因為機械故障，球床反應堆只會進入及維持怠態，容器及燃料球都不會受損。德國的 AVR 之前已曾經進行這種試驗，把所有的控制桿抽出，停止冷卻循環。之後拿出的燃料球並沒有受損。
球床反應堆的溫度被設計成低於石墨的退火溫度，避免石墨因維格納力累積而燃燒。
球床反應堆擁有多層的包圍保護，防止輻射外泄：
最外圍的是反應堆所在的建築，用以抵擋飛機撞擊或地震等自然災害。
反應堆密封在牆壁厚兩米以上的密室之內，只留門戶出入，並有冷卻管道供以水淹浸反應堆。
燃料球大小若網球，每個重約210克，內有9 克左右的鈾。一個120兆瓦的反應堆大約需要380,000個燃料球。燃料球為60mm 的空心熱分解石墨，石墨熔點為攝氏3000度，比反應堆的設計最高溫度高兩倍，而且非常堅硬。
球床反應堆
球床反應堆石墨球內有一萬五千枚“種子”，每粒種子的核心是直徑0.5mm的裂變物料。種子外部為熱分解石墨。
種子的熱分解石墨之內為一層不透氣，不燃燒，非常堅硬及強的矽化碳。
之內為高密度，不透氣的熱分解石墨。
之內為低密度，透氣的熱分解石墨，用來吸收裂變過程產生的放射性氣體。（主要為氙氣)
最核心為裂變物料的氧化或碳化合物
使用過的燃料球，一般可以無需再加密封處理即可運走。
安全問題
有人認為用來包裝核燃料的石墨有可能會著火燃燒，是一個安全上的問題。（蘇聯切爾諾貝爾核電廠發生意外時石墨曾經燃燒。)反應堆因此必須以惰性氣體作冷卻劑，而且不能接觸氧氣。如果在更換燃料的過程中，空氣進入反應堆，可能會造成嚴重事故。
球床反應堆
球床反應堆燃燒球的製造如果有瑕疵，亦可能產生問題。
德國的AVR 反應堆曾出現燃料球卡住的問題，引起輻射外泄，最後導致德國政府下令關閉研究計畫。
中國的球床反應堆
據英國《金融時報》報導，華能集團正牽頭組建內地能源企業集團，計畫在山東威海投資興建一家裝機容量為195兆瓦的氣冷式核電站。這預示著中國將建設內地首個球床反應堆,並且也是世界上首個投入商業運營的球床反應堆。
據悉，華能集團將占該能源企業集團50%股權，中國核工業建設集團及清華大學分別持有35%及5%，10%權益可能預留給策略投資者，有傳聞認為該策略投資股東可能來自南非。目前該項目已完成可行性研究，正待政府最後拍板。該企業集團的一位高層人士表示，這座擬建的反應堆可能在五年內開始發電。
球床反應堆
球床反應堆球床反應堆因為其燃料採用檯球般大小、以鈾為核心的小石墨球，故該反應堆被命名為“球床”。這家核電站所採用的技術是新的防熔化方案，它取代了標準的水冷式核電站。這種反應堆體積小，適於建在偏遠農村地區，其採用的技術能防止核擴散。若核電站建成投產，則有望集經濟、安全和易擴展於一體，滿足急速增長的能源需求，同時避免造成環境災害。目前，中國和南非在開發球床反應堆方面走在世界前列，據悉，清華大學核能與新能源技術研究院正運行全球唯一的試驗性球床反應堆，並正為規劃中的核電站提供技術。
