鎂諾克斯反應堆

英國在1956年10月建成卡爾德霍爾產鈽、發電兩用石墨氣冷堆核電廠之後，陸續建設了一批石墨氣冷堆核電廠，因利用鎂合金作包殼，稱為鎂諾克斯反應堆（MGR）。英國曾一度是世界上核電總裝機容量最大的國家。

由於這種核電廠運行參數較低，建設投資大，發電成本高，在60年代末已停止建造，有些已停止運行。截止1998年底，運行中的石墨氣冷堆共20座，都為英國所有，總電功率3190 MW，占全世界核電廠反應堆總數的4.6%， 總電功率的0.9%。

這是英國和法國為大規模發電而發展的核反應堆的最早型式之一，為天然油、氣體一石墨系統。這個型式的第一座反應堆在英國，一般稱為鎂諾克斯反應堆。

基本介紹

• 中文名：鎂諾克斯反應堆
• 外文名：Magnox reactor
• 縮寫：MGR
• 套用：石墨氣冷堆燃料包殼
• 優點：較低的壓力下獲得較高的出口溫度
• 缺點：功率小、體積大、造價高、消耗大

概況

鎂諾克斯反應堆用鎂合金作天然鈾燃料元件的包殼的反應堆。金屬鎂的熱中子吸收截面小，是好的包殼材料。英國、法國早期的石墨慢化、二氧化碳冷卻的氣冷堆均用這種合金作天然鈾式低加濃鈾燃料元件外殼。它的破損率很小，平均只有0.05%。

50萬千瓦(電)鎂諾克斯核電站的反應堆活性區含有約三萬根由鎂諾克斯覆蓋的天然鈾金屬組成的燃料元件。燃料元件裝在石墨砌體孔道中。高壓的二氧化碳用作冷卻劑，以強制循環的方式通過燃料孔道和蒸汽發生器。為了提高傳熱的效果，在燃料包殼及蒸汽發生器的管子上均裝了鰭形散熱片。在早期的鎂諾克斯電站採用了大型的球體鋼壓力殼，通過導管和蒸汽發生器和氣體循環風機相連，但在後建的電站中，這些都被具有一體化蒸汽發生器布置的預應力混凝土壓力殼所代替。對這種極大的天然鈾反應堆中，幾乎是連續地更換燃料，為了這種操作的需要，研製了帶負荷的燃料裝卸系統。複雜的燃料運輸機同穿通壓力殼頂部的支撐管相連，用裝在伸縮桿上的遙控抓頭進行燃料裝卸。吸收中子的控制棒用鏈條機構從石墨活性區中分開的孔道中提出，並利用自重插入來實現快速停堆。由於石墨活性區的熱容量大，及在較後建的電站採用的混凝土壓力殼的固有的安全性，不再需要特殊的安全包殼來應付一次迴路破裂可能發生的影響。

核電廠

使用石墨作為慢化劑和結構材料、二氧化碳氣體為冷卻劑、金屬天然鈾為核燃料以及鎂諾克斯(MAGNOX)合金為燃料棒包殼材料的氣體冷卻反應堆核電廠。由於石墨中子吸收截面小，慢化性能好，可利用天然鈾作為核燃料。它和水冷堆比較，氣體冷卻劑能在不高的壓力下得到較高的出口溫度，可提高電廠的蒸汽參數，從而提高熱效率。但由於鎂合金包殼不能承受高溫，限制了二氧化碳的出口溫度，因而限制了反應堆熱工性能的提高。此外，它可以在功率運行狀態連續換料，提高電廠可用率。

在世界核電廠發展初期，一些沒有鈾同位素分離能力的國家如英、法等國，曾把這種核電廠作為一種主要核電廠類型而大量建造過。如早在1956年英國就建成了淨電功率為50MW的世界上第一座石墨氣冷堆核電廠——卡德霍爾(Calder Hall)核電廠，標誌著這種類型核電廠進入商用化，以後在英、法、義大利、日本和西班牙等國相繼建造和運行了38座， 總裝機容量共8945MW。

典型鎂諾克斯型石墨氣冷堆主要參數表

結構

以英國奧德伯里(Old Bury)鎂諾克斯型反應堆為例。

反應堆堆芯為多邊稜柱，對邊間距為14.2m，總高為9.8m，其中石墨慢化劑砌體堆芯直徑為12.8m，高為8.5m，與反射層和側向禁止一起都支承在一個格板上面，再通過墊板把所有載荷傳給反應堆容器底部。全部石墨質量約2060t，內有3308個燃料孔道。從堆芯底部到頂部，每個孔道內安裝8根鎂諾克斯合金包殼的天然鈾燃料棒(直徑為28mm，長為972mm)，其柵距為197mm。包殼外面有人字形的加肋傳熱表面和保證燃料棒中心定位用的凸條。含硼控制棒插入堆芯燃料棒孔道之間的管道內。每根控制棒有獨立的驅動機構。

鎂諾克斯反應堆布置圖

二氧化碳氣體經過氣體循環風機(主風機)加壓後通過禁止層內的通道到堆芯底部，然後沿燃料棒流到堆芯頂部，加熱後的氣體流經禁止層的上部，往下通過蒸汽發生器返回循環風機，形成一迴路流動。

4台蒸汽發生器對稱地安裝在堆芯周圍，堆芯和蒸汽發生器之間是一層由石墨和碳鋼組成的禁止層，每個蒸汽發生器下面有1台軸流式風機，由背壓式汽輪機驅動。

蒸汽發生器內產生的蒸汽有兩種不同的壓力， 高壓蒸汽通過循環風機的驅動汽輪機後返回蒸汽發生器過熱，然後和低壓蒸汽混合後進入汽輪發工作原理

堆芯大致呈圓柱狀，由很多正六角形稜柱的石墨塊堆砌而成。在石墨砌體中有許多裝有燃料元件棒的孔道，以便使加壓的二氧化碳流過，將熱量帶出。從堆芯出來的熱氣流，在蒸汽發生器中將熱量傳給二次側的水，使之受熱成為蒸汽進入汽輪機，帶動發電機組發電。放熱後的冷卻氣體藉助循環風機返回堆芯完成一迴路循環。

這種堆的主要優點是用天然鈾作燃料，可以在較低的壓力下獲得較高的反應堆出口溫度（但由於鎂合金包殼不能承受高溫二氧化碳的出口溫度仍受到限制）。此外它可以在功率運行狀態連續換料，提高電廠可用率。

這種堆的缺點是功率密度小、體積大、難以將對功率做大；裝料多、造價高，燃耗低使得天然鈾消耗量大。由於這種核電站運行參數較低，建設投資大，發電成本高，在上世紀60年代末已停止建造。除英國還有4台MGR運行外，其餘的均已停止運行。英國於1956年10月建成首台產鈽發電兩用、電功率45MWe的卡德霍爾（CalderHall）原型機組後，10年間陸續批量建造運行了26台該種機組，機組功率也得到明顯提升。在1969年以前，英國是世界上核電裝機總量最大的國家。

70年代美國輕水堆占領國際市場後，英國的石墨氣冷堆很難同美國的輕水堆相競爭， 為提高機組的經濟性，上世紀50年代後期，英國和工業界研究開發了改進氣冷堆(AGR)，但仍不能同美國輕水堆相競爭，終於未能打進國際市場。