[反應堆]自然循環

自然循環是一種非能動技術，其基本原理是利用密度差產生的驅動力驅動冷卻劑流動。

基本介紹

• 中文名：[反應堆]自然循環
• 外文名：naturalcirculationinreactor
• 原理：密度差產生驅動力驅動冷卻劑
• 技術特點：非能動技術，

自然循環是一種非能動技術，其基本原理是利用密度差產生的驅動力驅動冷卻劑流動。

自然循環特點

當冷卻劑在堆芯被加熱後，對於某些冷卻劑，由於熱脹冷縮，其密度減小，此時位於反應堆上腔室的冷卻劑並沒有被加熱，因而密度比較大，在密度差的作用下，產生自然循環驅動力，在驅動力作用下，堆芯冷卻劑向上流動，攜帶堆芯產生的熱量進入上腔室，然後通過換熱器與二迴路冷卻劑進行熱量交換，從換熱器下端的出口流出匯入下腔室，形成一個循環。由於自然循環是在密度差產生的驅動力作用下形成，但是反應堆上下腔室冷卻劑溫差有限，因此密度差大小受限，從而導致自然循環能力受限。一般自然循環反應堆設計功率在300MWe以下，因此也被稱為小型自然循環反應堆。

小型自然循環反應堆

小型自然循環反應堆依靠冷卻劑的自然循環冷卻，一迴路運行過程中不需要機械泵，可以避免由於機械泵帶來的製造和運輸等難題。而且整個反應堆系統結構簡單，沒有複雜的管道和閥門，可以有效降低反應堆的建造和運行成本。更重要的是，小型自然循環反應堆具有良好的非能動安全特性，可以顯著提高反應堆的安全性。此外，由於取消了機械泵，小型自然循環反堆還有噪音低的特點。

小型自然循環反應堆要求所採用的冷卻劑具有較好的熱膨脹性能，能夠在設計的運行溫度範圍內提供足夠的自然循環能力來冷卻堆芯。圖給出了主要反應堆冷卻在不同溫差下的熱膨脹性能。從圖可以看出，相比於Na和H₂O，FLiBe熔鹽的熱膨脹性能具有明顯的優勢，是小型自然循環反應堆理想的冷卻劑。因此，將熔鹽堆設計為一迴路採用自然循環的小型堆具有很好的優勢。

小型堆

國際原子能機構將一體化小型核反應堆定義為發電功率小於300MWe的核反應堆，一體化小型堆（Small Modular Reactors ，SMR）採用模組化設計、模組化生產和模組化組裝的技術，具有良好的安全特性，並且用途廣泛。由於體積小，前期投資小，投資風險低，因此經濟競爭力強。另外，既可用於陸基，也可用於海洋，廠址適應性好。可用於電力需求規模小但是變化大、電網基礎設施相對薄弱的國家和地區，也可用於邊遠地區電力供應、普通居民供暖和工業生產供熱、海上石油開採平台電力和能源供應、海水淡化領域等，具有非常廣闊的市場前景。

（1）體積功率小

通常一體化小型堆功率小於300MWe，這樣使其適應性更強，在電網的調節中更加靈活。而且其體積相對於大型反應堆更小，在運輸和組裝過程中更加方便，降低配套設施的資金投入。

（2）安全特性好

一體化小型堆將一迴路一體化布置在壓力容器內，並且，很多一體化小型堆採用非能動設計的思想，最大限度地減少了一迴路的設備數量，如管道、閥門甚至主泵等，因而從設計上消除了一些特定的事故，如管道破裂導致的LOFC事故，主泵卡軸事故等。

（3）選址靈活，適應性強

布置在能源相對醫乏，環境相對惡劣的偏遠地區，降低了電力輸送帶來的損失和成本;而浮動式一體化小型堆也是近年來的研究熱點，可在海上自由移動，其部署靈活性更高。

（4）運行方式多樣，用途廣泛

多數一體化小型堆運行模式多樣化，既可以基本負荷運行，也可以負荷跟蹤運行。除電力生產外，還可提供工業用熱、集中供暖、海水淡化、氫氣製備等用途。並且可以根據不同的需求，改變能量輸送配比，實現能源負荷變化的精確匹配，提高能源的利用率。

（5）防核擴散能力強

多數一體化小型堆的反應堆模組深埋地下。反應堆模組在工廠進行生產組裝並裝料後再進行部署。並且還能以較低富集度的鈾燃料運行。這些措施都降低了核擴散風險。

小型自然循環反應堆現狀

由於能夠滿足各種用戶和套用對於能源的需求，並且具有很高的固有安全性和經濟性，小型模組化反應堆及其套用日益受到關注。目前對於小型模組化反應堆的研究較多，各種主流堆型均有相應的小型模組化堆在開發，如:水冷堆、高溫氣冷堆、液態金屬堆、鈉冷快堆、氣冷快堆以及熔鹽堆等。目前世界上大部分小型堆的最新發展狀況。截至目前，全球範圍內至少有50種SMR正處於不同的開發階段。其中有三個處於正在運行階段：CNP-300、EGP-6和AHWR-300；三個示範堆處於正在開工建設:阿根廷的CAREM一體化小型壓水堆，中國的HTR-PM高溫球床氣冷堆和俄羅斯的KLT40 S浮動核電站，它們預計在2017年-2020年之間投入運行;而處於概念設計階段的近30個。由此可以預見，在未來一段時間內（2025年-2030年），大規模的小型堆商運將出現。

套用

清華大學自主研發和設計的低溫核供熱堆技術（NHR系列）是我國一體化自然循環反應堆技術的典型代表，經歷了基礎研究、SMW堆、商用NHR200-I型堆和商用NHR200-I型堆的發展歷程。經過三十年的發展，NHR系列熱工參數逐步提升，在保證安全性和經濟性的前提下，己經逐漸從簡單的供熱為目的的小型反應堆向多用途小型反應堆轉變，套用領域包括城市集中供暖、工業蒸汽、熱膜混合法海水淡化、集中製冷、熱電聯供等領域，如圖所示。

NHR系列（NHR200-I型堆和NHR200-II型堆）主要技術特點包括：

（1）一體化技術。將一迴路系統的主要設備，包括堆芯、主換熱器等均包含在壓力殼內，如圖所示。採用一體化布置大大減小了主迴路發生破口事故的機率，使得整個系統結構布置緊促，減小占用空間體積，減少了工程造價。

（2）穩壓特性。採用汽一氣穩壓器，省去噴淋和加熱裝置，防止了容積沸騰，大大簡化了穩壓系統。

（3）全功率自然循環。堆芯功率的載出完全依靠自然循環，省去了主泵、主迴路閥門等設備，簡化系統，提高了系統的安全可靠性。

（4）雙層承壓殼。為了防止在極端條件下壓力容器的破裂而失水，NHR系列採用壓力容器外加了一個重承壓殼的方案，兩層安全螢幕障大大增強反應堆的安全性。在壓力容器破口事故下，堆芯仍然能被淹沒，防止放射性釋放。

（5）非能動安全系統和控制棒水力驅動。採用內置式控制棒水力驅動，消除彈棒事故，大大增加了系統的安全性。

（6）運行參數低，安全裕度大，系統簡化，操作簡便，無須操縱員干預，避免人因錯誤。