4．气冷堆

轻水和重水统称为水，因此轻水堆和重水堆可统称为水堆或水冷堆。除了用水冷却外，还有用气体作为冷却剂的气冷堆。水的主要缺点是会发生由液体到蒸汽的相变，使传热性能突然变坏，存在核燃料熔化、元件包壳管破损和放射性物质外逸的风险。而气体的主要优点是不会发生相变。但是气体的密度低，热量传输能力差，循环时消耗的功率大。为了提高气体的密度及热传输能力，也需要适当增加压力。

气冷堆在发展过程中，经历了三个阶段。第一阶段是天然铀石墨气冷堆。它的石墨堆芯中有一些通道，放入天然铀制成的金属铀燃料元件。在通道中流过2.5MPa左右的二氧化碳气体，将燃料元件放出的裂变能带出堆外。在蒸汽发生器里，由堆内来的高温二氧化碳使二回路的水变成高温蒸汽，推动汽轮发电机组发电。但石墨的慢化能力比轻水和重水都低，为了使裂变产生的快中子充分慢化，就需要大量的石墨。加上二氧化碳热传输能力较差，使这种堆体积庞大，其功率密度比压水堆低一百多倍。而且，当二氧化碳超过360℃时，会使钢材受到腐蚀，因而限制了冷却剂的温度，使得热能利用效率只有24％。鉴于此，从20世纪60年代初期起，就转向研究改进型气冷堆。

第二阶段的改进型气冷堆，仍然用石墨慢化和二氧化碳冷却。为了提高冷却剂的温度，元件包壳改用不锈钢。由于采用二氧化铀陶瓷燃料及浓缩铀，随着冷却剂温度及压力的提高，这种堆的热能利用效率达40％，功率密度也有很大提高。第一座这样的改进型气冷堆在英国建成后普遍认为性能不错。但当时英国过高地估计了所取得的成就，就跳过示范堆直接发展商用堆，准备建造十座一百三十多万千瓦的改进型气冷堆双堆电站。然而在开始建造后不久就发现蒸汽发生器由于腐蚀及振动引起的疲劳而不能使用，且问题一个接着一个，使原计划1974年建成的电站，推迟到1983年才开始送电，基建投资增加了将近四倍。后建的几座堆虽有所改善，但进度也推迟了四至六年，实际投资也超过预算很多。由于工程进度推迟，不得不建造火力发电厂发电，造成的经济损失无法估量。

由于改进型气冷堆的波折，加上轻水堆的大量发展，英国在核电上的技术迅速被美国、日本、法国和前苏联等国超过。由于改进型气冷堆在经济上的竞争能力差，英国政府决定，放弃对改进型气冷堆的研究，改从美国引入压水堆。

第三阶段的高温气冷堆，是一种安全性、经济性好的新型核反应堆，它改用氦气作冷却剂，石墨作慢化材料，采用包覆颗粒燃料和石墨构成的球形燃料元件，并采用全陶瓷的堆芯结构材料。高温气冷堆发电效率很高，并可用于煤的液化和气化、稠油热采、制氢等，在未来的能源系统中具有广阔的应用前景，对于改善环境、实现可持续发展具有重要意义。

高温气冷堆的核燃料，是用溶胶凝胶法，将二氧化铀或碳化铀制成直径小于1mm的小球，其外部包裹着热解碳涂层和碳化硅涂层。每个小球一般涂三层，最内的涂层疏松多孔，可以使燃料小球因升温和辐照肿胀而造成的体积膨胀得到缓冲；最外的涂层比较致密，可以阻挡裂变气体的外逸。这两层之间是阻挡固体裂变产物外逸的碳化硅涂层。将这种涂层颗粒燃料与石墨粉均匀混合之后，外面再包一些石墨粉，就可制成棱柱形、圆柱形或珠形燃料元件。柱形元件之间有气体流过的通道，球形元件则是实心的。球形元件堆放时，彼此间有空隙可供气体流过。由于每颗燃料小球有多层包壳，而且每颗燃料小球之间都有石墨包围，所以这种燃料元件在堆内几乎不会破裂。高温气冷堆的冷却剂是氦气，在氦循环风机的驱动下不断通过堆芯将裂变能带出，进行闭式循环。堆芯放在有石墨衬里的预应力混凝土压力容器内。

氦气是一种惰性气体，化学性质不活泼，容易净化，不引起材料的腐蚀。氦气的中子吸收截面极小，它的热导率为二氧化碳的4.5倍，比热容为二氧比碳的3.5倍，输送时消耗的功率仅略高于氢而低于其它气体。它透明，便于装卸料操作。另外由于石墨耐高温，所以氦气的温度可以提高到750~1200℃。这样一来，除了可在发电时提高热能利用效率外，还可为炼钢、煤的汽化、生产氢气等提供高温热源，从而减少了电能这一中间转换环节。由于余热的份额少，又便于用空气冷却塔，热污染少，因而这种堆可以建在冷却水源不足的地方。

高温气冷堆使用球形元件时，可以连续装卸核燃料。另外，高温气冷堆可以装载大量的钍，由于石墨吸收热中子几率小，因此这种堆型除维持裂变链式反应以外，还有较多的剩余中子可用来将232Th转化为233U，有利于钍资源的利用。

由于堆内有大量的石墨，所以堆芯热容量大。压水堆发生堆芯失水事故几分钟后燃料芯块温度就可升高到2000℃以上，而高温气冷堆发生氦气系统破裂事故后，要过一两天才会使堆芯燃料温度由于剩余发热而升高到2000℃。再加上堆芯熔化的可能性很小，所以堆芯应急冷却系统即使失效，也可以仅仅依靠物体热传导、自然对流和自然循环等原理，而不需要人为的措施，就将事故的后果控制在允许的范围内。因为它安全性好，放射性释放量少，所以这种堆更能靠近大城市建造，从而可以减少能量输送时的损失。

英国、美国和西德先后建起了三座高温气冷试验堆，特别是西德的球床堆，燃耗深度超过压水堆几倍。原设计氦气出口温度为750℃，后来相继提高到850℃和950℃。由于高温气冷堆在技术上具有水冷堆无法比拟的优点，因而在国际上引起了普遍重视。

高温气冷堆的发展过程中也碰到多种难题，目前比较一致的看法是，高温气冷堆如果不在氦气直接循环和高温供热上取得技术突破，要想在市场上与水冷堆竞争是很困难的。但不可否认的是高温气冷堆具有其它堆型无法代替的优点，在能源结构中具有特殊的地位和发展前景，因而值得人们进一步的探索和研究。

石岛湾核电高温气冷堆核电站示范工程是国内第一座高温气冷堆示范电站，是世界上第一座具有第四代核能系统安全特征的20万千瓦级高温气冷堆核电站。石岛湾核电厂址位于荣成市，高温气冷堆核电站示范工程计划已经于2012年12月正式开工建设。