氣冷堆冷卻劑材料選取分析

王 晨 梁洋洋 鄭 鑫 張慧敏 堵樹(shù)宏

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

1 氣冷堆的發(fā)展歷程

氣冷堆，即使用氣體作為冷卻劑的反應(yīng)堆技術(shù)，最早應(yīng)用于軍用領(lǐng)域，如美國(guó)研發(fā)的軍用移動(dòng)氣冷堆ML-01。之后，氣冷堆逐步發(fā)展成為商用發(fā)電的動(dòng)力反應(yīng)堆。它大致分為4個(gè)階段：早期氣冷堆、改進(jìn)型氣冷堆（AGR）、高溫氣冷堆和模塊式高溫氣冷堆[1]。

早期氣冷堆的開(kāi)發(fā)工作集中于低溫反應(yīng)堆系統(tǒng)，大多數(shù)采用二氧化碳冷卻劑。之后人們意識(shí)到，如果冷卻劑溫度可以提升，就會(huì)大大提高熱效率，這也就是改進(jìn)型氣冷堆（AGR）的設(shè)計(jì)方案。但是在高溫條件下，二氧化碳會(huì)使鋼材受到腐蝕，因此改進(jìn)型氣冷堆的發(fā)展無(wú)法持續(xù)下去。

此后氦氣逐漸作為冷卻劑出現(xiàn)在了氣冷堆的設(shè)計(jì)中，這也拉開(kāi)了高溫氣冷堆（HTGR）的發(fā)展序幕。氦氣冷卻劑最早出現(xiàn)在1944年的5 MWth實(shí)驗(yàn)堆研究項(xiàng)目，之后英國(guó)開(kāi)發(fā)了20 MWth功率的原型堆DRAGON[2]。同時(shí)，美國(guó)和聯(lián)邦德國(guó)也啟動(dòng)了其高溫氣冷堆的研發(fā)計(jì)劃，分別為桃花谷實(shí)驗(yàn)堆項(xiàng)目和AVR實(shí)驗(yàn)堆項(xiàng)目。

1980年代，西門子旗下的國(guó)際原子能公司首先開(kāi)發(fā)出了80MWe模塊式氣冷堆。氣冷堆通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)理念提高了安全性與效率，該設(shè)計(jì)理念至今仍具有先進(jìn)性和前瞻性。美國(guó)能源部在2010年左右提出的模塊化小型堆概念，可視為該理念的擴(kuò)展。此后一些小型堆方案基本采用該理念進(jìn)行設(shè)計(jì)。德國(guó)、美國(guó)和中國(guó)等國(guó)都曾經(jīng)開(kāi)展了大量的研究，中國(guó)建設(shè)了世界第一個(gè)10 MWth模塊式高溫氣冷堆的實(shí)驗(yàn)堆HTR-10，以及第一個(gè)模塊式高溫氣冷堆的工業(yè)示范電站，即華能山東石島灣20萬(wàn)千瓦級(jí)高溫氣冷堆核電站示范工程（HTR-PM）[3]。

2 冷卻劑材料的性能分析

根據(jù)氣冷堆發(fā)展歷史，對(duì)氣冷堆采用過(guò)的氮?dú)?、二氧化碳、氦氣冷卻劑主要特性參數(shù)進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)表1，表中均為400 ℃，3 MPa條件下參數(shù)）。其中重點(diǎn)關(guān)注了其熱力學(xué)性能參數(shù)，包括定壓比熱容定壓比熱容，熱導(dǎo)率，還有中子學(xué)性能參數(shù)，熱中子吸收截面，該文基于該表1對(duì)3種冷卻劑材料進(jìn)行性能分析。

2.1 氮?dú)?/h3>

氮?dú)鉃闊o(wú)色無(wú)味氣體，常溫常壓下具有良好的化學(xué)惰性。氮?dú)馀c石墨慢化劑和反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料具有較好的相容性。從表1中可知，氮?dú)獾牡臒嶂凶游战孛孑^大，約1.9 barns，因此將氮?dú)庾鳛槔鋮s劑會(huì)影響反應(yīng)堆的中子效率。并且氮?dú)獾臒釋?dǎo)率較低，僅為氦氣的1/5，所以氮?dú)獾睦鋮s能力也是制約其發(fā)展的因素之一。最后，N-14原子吸收1個(gè)中子后會(huì)觸發(fā)（n，p）反應(yīng)，生成C-14原子。C-14具有較長(zhǎng)的半衰期，約為5 730年。C-14含量的升高可能會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成威脅，因此C-14是核電廠環(huán)境影響評(píng)價(jià)中最受關(guān)注的核素之一，要盡量避免C-14的生成[4]。

2.2 二氧化碳

二氧化碳為無(wú)色無(wú)味的氣體，常溫下具有化學(xué)惰性和不可燃性。從表1可以看到，二氧化碳具有較低的中子吸收截面，但其熱物性與氮?dú)庀啾炔](méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)。二氧化碳曾作為早期石墨氣冷堆和改進(jìn)型氣冷堆的冷卻劑，但是這一選擇更多是基于當(dāng)時(shí)的國(guó)際局勢(shì)而做出的妥協(xié)。二氧化碳在堆內(nèi)高溫、高壓、高輻照條件下，會(huì)與石墨發(fā)生幾種不同的反應(yīng)。例如高溫會(huì)引起石墨表面活性原子與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，生成氧化物，之后氧化物分解，石墨會(huì)失去碳原子而氣化?；谏鲜隹紤]，當(dāng)時(shí)的二氧化碳?xì)饫涠训倪\(yùn)行溫度被限制在350 ℃以內(nèi)，熱效率極低。

表1 材料相關(guān)特性參數(shù)

2.3 氦氣

氦氣無(wú)色、無(wú)味、不可燃、無(wú)刺激性，具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性，在高溫高壓高輻照環(huán)境中與堆芯材料具有良好的相容性，使冷卻劑出口溫度可達(dá)950 ℃甚至更高[1]，從而顯著提高了氣冷堆的熱效率。并且從表中可見(jiàn)，氦氣具有較小的中子吸收截面，僅為0.00747 barns，不會(huì)對(duì)堆芯內(nèi)部裂變反應(yīng)造成影響。另一方面，氦氣具有數(shù)倍于二氧化碳和氮?dú)獾臒釋?dǎo)率，可以快速傳遞堆芯熱量，因此幾乎所有的氣冷堆均使用氦氣作為冷卻劑。但是，由于氦氣摩爾質(zhì)量小，比體積大，因此具有較大的體積流量，導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備和管道體積較大；并且氦氣定壓比熱大，導(dǎo)致循環(huán)比功增大，壓縮困難[5]。

3 冷卻劑材料的選取

3.1 氣冷堆對(duì)于冷卻劑材料的要求

氣冷堆的冷卻劑工質(zhì)選擇需要依據(jù)其特點(diǎn)、運(yùn)行條件和材料性能要求進(jìn)行分析選取。氣冷堆對(duì)于冷卻劑的要求除了有高導(dǎo)熱率、穩(wěn)定性好以及中子吸收截面小等，還需要具備如下要求：1）冷卻劑需要滿足與石墨材料較好的相容性。2）冷卻劑需要有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)不會(huì)生成新的具有危害的物質(zhì)。3）冷卻劑工質(zhì)需要在低壓條件下獲得更高的溫度，來(lái)保證整個(gè)反應(yīng)堆較高的熱效率水平。4）如果采用堆芯冷卻劑直接透平發(fā)電，冷卻劑就需要具備較大的壓比和較小的循環(huán)比功，以降低壓氣機(jī)和透平的級(jí)數(shù)和功耗。

3.2 冷卻劑材料的選取

綜合氣冷堆對(duì)冷卻劑材料的要求和冷卻劑性能分析，從燃料角度（慢化劑、中子譜）、安全角度（高安全性、低污染）、循環(huán)及經(jīng)濟(jì)性角度（效率高、布置緊湊、低冷卻劑流量）對(duì)冷卻劑工質(zhì)進(jìn)行選取，表2給出了氣冷堆的冷卻劑材料選擇方案。

經(jīng)過(guò)比選發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的二氧化碳因其不穩(wěn)定性，無(wú)法適用于當(dāng)前的氣冷堆發(fā)展需求。如采用常規(guī)氮?dú)?，其具有良好的可壓縮性，可以解決透平和壓氣機(jī)研發(fā)問(wèn)題。但是，常規(guī)氮?dú)鈱?duì)于慢中子能譜的影響限制了其直接作為冷卻劑的可行性，并且常規(guī)氮?dú)馑斐傻腃-14問(wèn)題需要重點(diǎn)評(píng)估。氦氣的性能確實(shí)可以滿足氣冷堆的大部分需求，如與石墨相容性好、較小的熱中子吸收截面、導(dǎo)熱率高以及高溫穩(wěn)定性好等。但是氦氣的難壓縮、壓比小，造成的循環(huán)比功大的缺陷給透平和壓氣機(jī)研發(fā)帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。目前，透平及壓氣機(jī)的研發(fā)并未獲得突破性進(jìn)展并且難度較大，因此不確定性較高。同時(shí)，相較于氮?dú)夂投趸?，氦氣造價(jià)高，且目前國(guó)內(nèi)氦氣資源基本依賴于進(jìn)口，對(duì)氣冷堆的經(jīng)濟(jì)性有一定的影響。

3.3 冷卻劑材料的應(yīng)用

冷卻劑材料的應(yīng)用會(huì)直接影響氣冷堆的循環(huán)方式：1）氦氣直接循環(huán)；從提高能源效率的角度，直接循環(huán)是效率最高的方式。冷卻劑同時(shí)充當(dāng)透平的做功工質(zhì)，經(jīng)過(guò)堆芯加熱后直接沖擊透平發(fā)電。經(jīng)過(guò)分析，氦氣可以達(dá)到冷卻堆芯的目的，如果采用氦氣直接循環(huán)方案，氦氣壓氣機(jī)的級(jí)數(shù)將遠(yuǎn)大于氮?dú)鈮簹鈾C(jī)，相應(yīng)的設(shè)備體積也較大。這會(huì)限制氣冷堆的應(yīng)用場(chǎng)景，例如無(wú)法滿足空間核電源對(duì)于尺寸的要求。另一方面，直接循環(huán)是未來(lái)的發(fā)展方向，也推動(dòng)了冷卻劑技術(shù)的后續(xù)發(fā)展，后文詳細(xì)進(jìn)行說(shuō)明。2）蒸汽發(fā)生器間接循環(huán)；間接循環(huán)指的加入1臺(tái)中間換熱器，將反應(yīng)堆部分和透平部分進(jìn)行隔離，形成2個(gè)循環(huán)回路。透平回路選擇水作為工質(zhì)，優(yōu)點(diǎn)是蒸汽發(fā)生器、汽輪機(jī)等設(shè)備均具有較高的技術(shù)成熟度和豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。但是采用該方案會(huì)導(dǎo)致循環(huán)效率降低。并且如果發(fā)生中間換熱器傳熱管破裂，可能會(huì)引發(fā)反應(yīng)堆回路進(jìn)水事故，水蒸汽會(huì)和堆芯石墨發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣、一氧化碳等可燃性氣體[6]，影響反應(yīng)堆安全。3）氮?dú)馔钙介g接循環(huán)；該方案可以同時(shí)發(fā)揮氦氣和氮?dú)獾膬?yōu)點(diǎn)。反應(yīng)堆回路冷卻劑采用氦氣，透平回路工質(zhì)采用氮?dú)?，通過(guò)中間換熱器實(shí)現(xiàn)熱傳遞。使用氦氣滿足堆芯冷卻要求的同時(shí)，利用氮?dú)庖讐嚎s的特性降低透平及壓氣機(jī)研發(fā)難度。該方案的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)就是如果發(fā)生中間換熱器傳熱管破裂事故，進(jìn)入反應(yīng)堆回路的氮?dú)饪梢砸揽科漭^大的中子吸收截面有效地降低堆芯功率，保證堆芯安全。但是該方案同樣也面臨循環(huán)效率不足的問(wèn)題。

根據(jù)上述分析，現(xiàn)階段推薦采用氮?dú)馔钙介g接循環(huán)方案作為目前研發(fā)階段的過(guò)渡和技術(shù)積累，并以冷卻劑直接循環(huán)作為發(fā)展方向，繼續(xù)加大研究力度。

4 冷卻劑技術(shù)發(fā)展方向

4.1 氦氣性能優(yōu)化

在保證冷卻劑高穩(wěn)定性和中子效率的同時(shí)，考慮在氦氣中加入其他惰性氣體以改變其性能，降低透平設(shè)計(jì)難度。相關(guān)可利用的惰性氣體的物性參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 冷卻劑材料選取表

從表3中可以看出，相較于氦氣，其他惰性氣體的定壓比熱和熱導(dǎo)率隨原子序數(shù)的增大而減小，熱中子吸收截面則隨原子序數(shù)的增大而逐漸增大。現(xiàn)有研究表明，在氦氣中加入氪和氙可以使混合物的熱導(dǎo)率略高于純氦[7]。而對(duì)于氦氬和氦氖的二元混合物，熱導(dǎo)率隨著混合物分子量的增加而迅速降低，因此氬和氖無(wú)法滿足改善工質(zhì)性能的需求。目前，研究表明分子量為40（Xe摩爾百分比為28 %，He摩爾百分比為72 %）的氦氙混合物是非常有吸引力的選擇，壓氣機(jī)負(fù)荷僅為純氦的10%，傳熱系數(shù)與純氦相同。因此，在氦氣中加入少量氙氣可以在保證工質(zhì)熱力學(xué)性能的前提下，有效調(diào)節(jié)工質(zhì)的動(dòng)力學(xué)性能。雖然氙中子吸收截面較大，但是少量氙的加入不會(huì)對(duì)混合工質(zhì)吸收截面造成很大影響，因此氦氙混合物是作為冷卻劑工質(zhì)優(yōu)化的重點(diǎn)方向。但是氙氣的售價(jià)較貴，會(huì)對(duì)反應(yīng)堆的經(jīng)濟(jì)性造成影響，并且氦氙工質(zhì)仍處于研發(fā)階段，技術(shù)成熟度是其主要問(wèn)題。

表3 惰性氣體物相關(guān)物性參數(shù)

4.2 超臨界二氧化碳

近年來(lái)，國(guó)際核工業(yè)界提出了采用超臨界二氧化碳流體直接冷卻堆芯的布雷頓循環(huán)核動(dòng)力系統(tǒng)。氦氣循環(huán)可視為理想氣體循環(huán)，除密度外，其余熱物性參數(shù)不發(fā)生較大變化，而二氧化碳在不同狀態(tài)下的密度、熱導(dǎo)率、定壓比熱容均發(fā)生了較大變化[8]。雖然二氧化碳在穩(wěn)定性和熱傳導(dǎo)性方面比氦氣稍差，但是二氧化碳具有較為合適的臨界壓力（見(jiàn)表1，7.38 MPa），不需要很高的循環(huán)溫度就可以達(dá)到較為滿意的效率。同時(shí)，超臨界二氧化碳具有很好的壓縮性，因此采用超臨界二氧化碳作為冷卻劑可以減小設(shè)備尺寸并降低壓縮功。超臨界二氧化碳概念堆設(shè)計(jì)方案的循環(huán)效率為40%～50%[9]。但目前超臨界二氧化碳的研究均基本集中在快中子反應(yīng)堆，并且由于二氧化碳在高溫條件下與不銹鋼材料化學(xué)不相容，目前超臨界二氧化碳循環(huán)最高溫度被限制在650 ℃。

4.3 重氮（N-15）冷卻劑

綜上所述，氮?dú)獠荒茏鳛楹线m的冷卻劑主要原因在于其較差的中子學(xué)特性和生成C-14的化學(xué)特性。為了避免生成C-14，較為有效的辦法是采用N-15富集技術(shù)，采用重氮（N-15）作為冷卻劑工質(zhì)。N-15在自然界中存在的比例為0.36%，其熱中子吸收截面僅為0.000024 barns，并且不會(huì)因輻照而生成C-14。重氮與常規(guī)氮?dú)庑阅芟嗨?，適用于當(dāng)前市面上各類透平和壓氣機(jī)。因此采用重氮也可以直接跨越目前透平研發(fā)所遇到的難題。同時(shí)，如果采用重氮作為冷卻劑，事故條件下冷卻劑純凈度降低會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)性降低，保證反應(yīng)堆安全。目前，N-15仍主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究，其富集技術(shù)和成品價(jià)格目前是限制其廣泛使用的主要因素。另外，還需要考慮的是在反應(yīng)堆運(yùn)行、換料和維修階段，N-15的泄露和補(bǔ)充。當(dāng)前在核能領(lǐng)域，富集的N-15主要應(yīng)用于氮化物燃料的生產(chǎn)，并且為了滿足循環(huán)使用的要求，也正在研發(fā)N-15的回收技術(shù)。而選用大量的富集N-15作為冷卻劑世界上尚未開(kāi)展相關(guān)研究。

5 結(jié)語(yǔ)

該文對(duì)氣冷堆發(fā)展、特點(diǎn)及冷卻劑工質(zhì)性能進(jìn)行了調(diào)研分析。從發(fā)展上來(lái)看，常規(guī)二氧化碳因其穩(wěn)定性不足已無(wú)法適應(yīng)氣冷堆的發(fā)展。常規(guī)氮?dú)鈩t受限于其中子特性和放射性產(chǎn)物上的缺陷。氦氣在性能上可以滿足冷卻劑要求，但是其仍具有難壓縮的缺點(diǎn)。冷卻劑材料的選擇也關(guān)系到氣冷堆循環(huán)方式的選取，如采用氦氣直接透平循環(huán)，氦氣因壓比較小，透平和壓氣機(jī)的研發(fā)面臨許多挑戰(zhàn)。而采用蒸汽發(fā)生器間接循環(huán)，帶來(lái)的安全問(wèn)題需要進(jìn)一步的研究。因此推薦采用氮?dú)馔钙介g接循環(huán)，同時(shí)發(fā)揮氦氣和氮?dú)庠谔匦陨系膬?yōu)點(diǎn)，以此作為研發(fā)階段的過(guò)渡和技術(shù)積累。同時(shí)，為了解決當(dāng)前冷卻劑材料遇到的相關(guān)問(wèn)題，國(guó)際上也提出了許多的解決方案，如采用氦氙混合工質(zhì)或超臨界二氧化碳、重氮等新型冷卻劑材料。但是該技術(shù)仍處于研發(fā)階段，距離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。