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4．氣冷堆

輕水和重水統稱為水，因此輕水堆和重水堆可統稱為水堆或水冷堆。除了用水冷卻外，還有用氣體作為冷卻劑的氣冷堆。水的主要缺點是會發生由液體到蒸汽的相變，使傳熱性能突然變壞，存在核燃料熔化、元件包殼管破損和放射性物質外逸的風險。而氣體的主要優點是不會發生相變。但是氣體的密度低，熱量傳輸能力差，循環時消耗的功率大。為了提高氣體的密度及熱傳輸能力，也需要適當增加壓力。

氣冷堆在發展過程中，經歷了三個階段。第一階段是天然鈾石墨氣冷堆。它的石墨堆芯中有一些通道，放入天然鈾制成的金屬鈾燃料元件。在通道中流過2.5MPa左右的二氧化碳氣體，將燃料元件放出的裂變能帶出堆外。在蒸汽發生器里，由堆內來的高溫二氧化碳使二回路的水變成高溫蒸汽，推動汽輪發電機組發電。但石墨的慢化能力比輕水和重水都低，為了使裂變產生的快中子充分慢化，就需要大量的石墨。加上二氧化碳熱傳輸能力較差，使這種堆體積龐大，其功率密度比壓水堆低一百多倍。而且，當二氧化碳超過360℃時，會使鋼材受到腐蝕，因而限制了冷卻劑的溫度，使得熱能利用效率只有24％。鑒于此，從20世紀60年代初期起，就轉向研究改進型氣冷堆。

第二階段的改進型氣冷堆，仍然用石墨慢化和二氧化碳冷卻。為了提高冷卻劑的溫度，元件包殼改用不銹鋼。由于采用二氧化鈾陶瓷燃料及濃縮鈾，隨著冷卻劑溫度及壓力的提高，這種堆的熱能利用效率達40％，功率密度也有很大提高。第一座這樣的改進型氣冷堆在英國建成后普遍認為性能不錯。但當時英國過高地估計了所取得的成就，就跳過示范堆直接發展商用堆，準備建造十座一百三十多萬千瓦的改進型氣冷堆雙堆電站。然而在開始建造后不久就發現蒸汽發生器由于腐蝕及振動引起的疲勞而不能使用，且問題一個接著一個，使原計劃1974年建成的電站，推遲到1983年才開始送電，基建投資增加了將近四倍。后建的幾座堆雖有所改善，但進度也推遲了四至六年，實際投資也超過預算很多。由于工程進度推遲，不得不建造火力發電廠發電，造成的經濟損失無法估量。

由于改進型氣冷堆的波折，加上輕水堆的大量發展，英國在核電上的技術迅速被美國、日本、法國和前蘇聯等國超過。由于改進型氣冷堆在經濟上的競爭能力差，英國政府決定，放棄對改進型氣冷堆的研究，改從美國引入壓水堆。

第三階段的高溫氣冷堆，是一種安全性、經濟性好的新型核反應堆，它改用氦氣作冷卻劑，石墨作慢化材料，采用包覆顆粒燃料和石墨構成的球形燃料元件，并采用全陶瓷的堆芯結構材料。高溫氣冷堆發電效率很高，并可用于煤的液化和氣化、稠油熱采、制氫等，在未來的能源系統中具有廣闊的應用前景，對于改善環境、實現可持續發展具有重要意義。

高溫氣冷堆的核燃料，是用溶膠凝膠法，將二氧化鈾或碳化鈾制成直徑小于1mm的小球，其外部包裹著熱解碳涂層和碳化硅涂層。每個小球一般涂三層，最內的涂層疏松多孔，可以使燃料小球因升溫和輻照腫脹而造成的體積膨脹得到緩沖；最外的涂層比較致密，可以阻擋裂變氣體的外逸。這兩層之間是阻擋固體裂變產物外逸的碳化硅涂層。將這種涂層顆粒燃料與石墨粉均勻混合之后，外面再包一些石墨粉，就可制成棱柱形、圓柱形或珠形燃料元件。柱形元件之間有氣體流過的通道，球形元件則是實心的。球形元件堆放時，彼此間有空隙可供氣體流過。由于每顆燃料小球有多層包殼，而且每顆燃料小球之間都有石墨包圍，所以這種燃料元件在堆內幾乎不會破裂。高溫氣冷堆的冷卻劑是氦氣，在氦循環風機的驅動下不斷通過堆芯將裂變能帶出，進行閉式循環。堆芯放在有石墨襯里的預應力混凝土壓力容器內。

氦氣是一種惰性氣體，化學性質不活潑，容易凈化，不引起材料的腐蝕。氦氣的中子吸收截面極小，它的熱導率為二氧化碳的4.5倍，比熱容為二氧比碳的3.5倍，輸送時消耗的功率僅略高于氫而低于其它氣體。它透明，便于裝卸料操作。另外由于石墨耐高溫，所以氦氣的溫度可以提高到750~1200℃。這樣一來，除了可在發電時提高熱能利用效率外，還可為煉鋼、煤的汽化、生產氫氣等提供高溫熱源，從而減少了電能這一中間轉換環節。由于余熱的份額少，又便于用空氣冷卻塔，熱污染少，因而這種堆可以建在冷卻水源不足的地方。

高溫氣冷堆使用球形元件時，可以連續裝卸核燃料。另外，高溫氣冷堆可以裝載大量的釷，由于石墨吸收熱中子幾率小，因此這種堆型除維持裂變鏈式反應以外，還有較多的剩余中子可用來將232Th轉化為233U，有利于釷資源的利用。

由于堆內有大量的石墨，所以堆芯熱容量大。壓水堆發生堆芯失水事故幾分鐘后燃料芯塊溫度就可升高到2000℃以上，而高溫氣冷堆發生氦氣系統破裂事故后，要過一兩天才會使堆芯燃料溫度由于剩余發熱而升高到2000℃。再加上堆芯熔化的可能性很小，所以堆芯應急冷卻系統即使失效，也可以僅僅依靠物體熱傳導、自然對流和自然循環等原理，而不需要人為的措施，就將事故的后果控制在允許的范圍內。因為它安全性好，放射性釋放量少，所以這種堆更能靠近大城市建造，從而可以減少能量輸送時的損失。

英國、美國和西德先后建起了三座高溫氣冷試驗堆，特別是西德的球床堆，燃耗深度超過壓水堆幾倍。原設計氦氣出口溫度為750℃，后來相繼提高到850℃和950℃。由于高溫氣冷堆在技術上具有水冷堆無法比擬的優點，因而在國際上引起了普遍重視。

高溫氣冷堆的發展過程中也碰到多種難題，目前比較一致的看法是，高溫氣冷堆如果不在氦氣直接循環和高溫供熱上取得技術突破，要想在市場上與水冷堆競爭是很困難的。但不可否認的是高溫氣冷堆具有其它堆型無法代替的優點，在能源結構中具有特殊的地位和發展前景，因而值得人們進一步的探索和研究。

石島灣核電高溫氣冷堆核電站示范工程是國內第一座高溫氣冷堆示范電站，是世界上第一座具有第四代核能系統安全特征的20萬千瓦級高溫氣冷堆核電站。石島灣核電廠址位于榮成市，高溫氣冷堆核電站示范工程計劃已經于2012年12月正式開工建設。