氣冷堆冷卻劑材料選取分析

王 晨 梁洋洋 鄭 鑫 張慧敏 堵樹宏

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

1 氣冷堆的發展歷程

氣冷堆，即使用氣體作為冷卻劑的反應堆技術，最早應用于軍用領域，如美國研發的軍用移動氣冷堆ML-01。之后，氣冷堆逐步發展成為商用發電的動力反應堆。它大致分為4個階段：早期氣冷堆、改進型氣冷堆（AGR）、高溫氣冷堆和模塊式高溫氣冷堆[1]。

早期氣冷堆的開發工作集中于低溫反應堆系統，大多數采用二氧化碳冷卻劑。之后人們意識到，如果冷卻劑溫度可以提升，就會大大提高熱效率，這也就是改進型氣冷堆（AGR）的設計方案。但是在高溫條件下，二氧化碳會使鋼材受到腐蝕，因此改進型氣冷堆的發展無法持續下去。

此后氦氣逐漸作為冷卻劑出現在了氣冷堆的設計中，這也拉開了高溫氣冷堆（HTGR）的發展序幕。氦氣冷卻劑最早出現在1944年的5 MWth實驗堆研究項目，之后英國開發了20 MWth功率的原型堆DRAGON[2]。同時，美國和聯邦德國也啟動了其高溫氣冷堆的研發計劃，分別為桃花谷實驗堆項目和AVR實驗堆項目。

1980年代，西門子旗下的國際原子能公司首先開發出了80MWe模塊式氣冷堆。氣冷堆通過模塊化設計理念提高了安全性與效率，該設計理念至今仍具有先進性和前瞻性。美國能源部在2010年左右提出的模塊化小型堆概念，可視為該理念的擴展。此后一些小型堆方案基本采用該理念進行設計。德國、美國和中國等國都曾經開展了大量的研究，中國建設了世界第一個10 MWth模塊式高溫氣冷堆的實驗堆HTR-10，以及第一個模塊式高溫氣冷堆的工業示范電站，即華能山東石島灣20萬千瓦級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

根據氣冷堆發展歷史，對氣冷堆采用過的氮氣、二氧化碳、氦氣冷卻劑主要特性參數進行對比（見表1，表中均為400 ℃，3 MPa條件下參數）。其中重點關注了其熱力學性能參數，包括定壓比熱容定壓比熱容，熱導率，還有中子學性能參數，熱中子吸收截面，該文基于該表1對3種冷卻劑材料進行性能分析。

2.1 氮氣

氮氣為無色無味氣體，常溫常壓下具有良好的化學惰性。氮氣與石墨慢化劑和反應堆結構材料具有較好的相容性。從表1中可知，氮氣的的熱中子吸收截面較大，約1.9 barns，因此將氮氣作為冷卻劑會影響反應堆的中子效率。并且氮氣的熱導率較低，僅為氦氣的1/5，所以氮氣的冷卻能力也是制約其發展的因素之一。最后，N-14原子吸收1個中子后會觸發（n，p）反應，生成C-14原子。C-14具有較長的半衰期，約為5 730年。C-14含量的升高可能會對生態系統造成威脅，因此C-14是核電廠環境影響評價中最受關注的核素之一，要盡量避免C-14的生成[4]。

2.2 二氧化碳

二氧化碳為無色無味的氣體，常溫下具有化學惰性和不可燃性。從表1可以看到，二氧化碳具有較低的中子吸收截面，但其熱物性與氮氣相比并沒有明顯的優勢。二氧化碳曾作為早期石墨氣冷堆和改進型氣冷堆的冷卻劑，但是這一選擇更多是基于當時的國際局勢而做出的妥協。二氧化碳在堆內高溫、高壓、高輻照條件下，會與石墨發生幾種不同的反應。例如高溫會引起石墨表面活性原子與二氧化碳發生反應，生成氧化物，之后氧化物分解，石墨會失去碳原子而氣化。基于上述考慮，當時的二氧化碳氣冷堆的運行溫度被限制在350 ℃以內，熱效率極低。

表1 材料相關特性參數

2.3 氦氣

氦氣無色、無味、不可燃、無刺激性，具有極高的化學穩定性，在高溫高壓高輻照環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，氦氣具有較小的中子吸收截面，僅為0.00747 barns，不會對堆芯內部裂變反應造成影響。另一方面，氦氣具有數倍于二氧化碳和氮氣的熱導率，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，由于氦氣摩爾質量小，比體積大，因此具有較大的體積流量，導致相關設備和管道體積較大；并且氦氣定壓比熱大，導致循環比功增大，壓縮困難[5]。

3 冷卻劑材料的選取

3.1 氣冷堆對于冷卻劑材料的要求

氣冷堆的冷卻劑工質選擇需要依據其特點、運行條件和材料性能要求進行分析選取。氣冷堆對于冷卻劑的要求除了有高導熱率、穩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穩定性，同時不會生成新的具有危害的物質。3）冷卻劑工質需要在低壓條件下獲得更高的溫度，來保證整個反應堆較高的熱效率水平。4）如果采用堆芯冷卻劑直接透平發電，冷卻劑就需要具備較大的壓比和較小的循環比功，以降低壓氣機和透平的級數和功耗。

3.2 冷卻劑材料的選取

綜合氣冷堆對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）、循環及經濟性角度（效率高、布置緊湊、低冷卻劑流量）對冷卻劑工質進行選取，表2給出了氣冷堆的冷卻劑材料選擇方案。

經過比選發現，常規的二氧化碳因其不穩定性，無法適用于當前的氣冷堆發展需求。如采用常規氮氣，其具有良好的可壓縮性，可以解決透平和壓氣機研發問題。但是，常規氮氣對于慢中子能譜的影響限制了其直接作為冷卻劑的可行性，并且常規氮氣所造成的C-14問題需要重點評估。氦氣的性能確實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、導熱率高以及高溫穩定性好等。但是氦氣的難壓縮、壓比小，造成的循環比功大的缺陷給透平和壓氣機研發帶來了極大挑戰。目前，透平及壓氣機的研發并未獲得突破性進展并且難度較大，因此不確定性較高。同時，相較于氮氣和二氧化碳，氦氣造價高，且目前國內氦氣資源基本依賴于進口，對氣冷堆的經濟性有一定的影響。

3.3 冷卻劑材料的應用

冷卻劑材料的應用會直接影響氣冷堆的循環方式：1）氦氣直接循環；從提高能源效率的角度，直接循環是效率最高的方式。冷卻劑同時充當透平的做功工質，經過堆芯加熱后直接沖擊透平發電。經過分析，氦氣可以達到冷卻堆芯的目的，如果采用氦氣直接循環方案，氦氣壓氣機的級數將遠大于氮氣壓氣機，相應的設備體積也較大。這會限制氣冷堆的應用場景，例如無法滿足空間核電源對于尺寸的要求。另一方面，直接循環是未來的發展方向，也推動了冷卻劑技術的后續發展，后文詳細進行說明。2）蒸汽發生器間接循環；間接循環指的加入1臺中間換熱器，將反應堆部分和透平部分進行隔離，形成2個循環回路。透平回路選擇水作為工質，優點是蒸汽發生器、汽輪機等設備均具有較高的技術成熟度和豐富的運行經驗。但是采用該方案會導致循環效率降低。并且如果發生中間換熱器傳熱管破裂，可能會引發反應堆回路進水事故，水蒸汽會和堆芯石墨發生反應，產生氫氣、一氧化碳等可燃性氣體[6]，影響反應堆安全。3）氮氣透平間接循環；該方案可以同時發揮氦氣和氮氣的優點。反應堆回路冷卻劑采用氦氣，透平回路工質采用氮氣，通過中間換熱器實現熱傳遞。使用氦氣滿足堆芯冷卻要求的同時，利用氮氣易壓縮的特性降低透平及壓氣機研發難度。該方案的另一項優勢就是如果發生中間換熱器傳熱管破裂事故，進入反應堆回路的氮氣可以依靠其較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效率不足的問題。

根據上述分析，現階段推薦采用氮氣透平間接循環方案作為目前研發階段的過渡和技術積累，并以冷卻劑直接循環作為發展方向，繼續加大研究力度。

4 冷卻劑技術發展方向

4.1 氦氣性能優化

在保證冷卻劑高穩定性和中子效率的同時，考慮在氦氣中加入其他惰性氣體以改變其性能，降低透平設計難度。相關可利用的惰性氣體的物性參數見表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率隨原子序數的增大而減小，熱中子吸收截面則隨原子序數的增大而逐漸增大。現有研究表明，在氦氣中加入氪和氙可以使混合物的熱導率略高于純氦[7]。而對于氦氬和氦氖的二元混合物，熱導率隨著混合物分子量的增加而迅速降低，因此氬和氖無法滿足改善工質性能的需求。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，壓氣機負荷僅為純氦的10%，傳熱系數與純氦相同。因此，在氦氣中加入少量氙氣可以在保證工質熱力學性能的前提下，有效調節工質的動力學性能。雖然氙中子吸收截面較大，但是少量氙的加入不會對混合工質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優化的重點方向。但是氙氣的售價較貴，會對反應堆的經濟性造成影響，并且氦氙工質仍處于研發階段，技術成熟度是其主要問題。

表3 惰性氣體物相關物性參數

4.2 超臨界二氧化碳

近年來，國際核工業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核動力系統。氦氣循環可視為理想氣體循環，除密度外，其余熱物性參數不發生較大變化，而二氧化碳在不同狀態下的密度、熱導率、定壓比熱容均發生了較大變化[8]。雖然二氧化碳在穩定性和熱傳導性方面比氦氣稍差，但是二氧化碳具有較為合適的臨界壓力（見表1，7.38 MPa），不需要很高的循環溫度就可以達到較為滿意的效率。同時，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備尺寸并降低壓縮功。超臨界二氧化碳概念堆設計方案的循環效率為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堆，并且由于二氧化碳在高溫條件下與不銹鋼材料化學不相容，目前超臨界二氧化碳循環最高溫度被限制在650 ℃。

4.3 重氮（N-15）冷卻劑

綜上所述，氮氣不能作為合適的冷卻劑主要原因在于其較差的中子學特性和生成C-14的化學特性。為了避免生成C-14，較為有效的辦法是采用N-15富集技術，采用重氮（N-15）作為冷卻劑工質。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，并且不會因輻照而生成C-14。重氮與常規氮氣性能相似，適用于當前市面上各類透平和壓氣機。因此采用重氮也可以直接跨越目前透平研發所遇到的難題。同時，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導致反應性降低，保證反應堆安全。目前，N-15仍主要應用于實驗室研究，其富集技術和成品價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堆運行、換料和維修階段，N-15的泄露和補充。當前在核能領域，富集的N-15主要應用于氮化物燃料的生產，并且為了滿足循環使用的要求，也正在研發N-15的回收技術。而選用大量的富集N-15作為冷卻劑世界上尚未開展相關研究。

5 結語

該文對氣冷堆發展、特點及冷卻劑工質性能進行了調研分析。從發展上來看，常規二氧化碳因其穩定性不足已無法適應氣冷堆的發展。常規氮氣則受限于其中子特性和放射性產物上的缺陷。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。冷卻劑材料的選擇也關系到氣冷堆循環方式的選取，如采用氦氣直接透平循環，氦氣因壓比較小，透平和壓氣機的研發面臨許多挑戰。而采用蒸汽發生器間接循環，帶來的安全問題需要進一步的研究。因此推薦采用氮氣透平間接循環，同時發揮氦氣和氮氣在特性上的優點，以此作為研發階段的過渡和技術積累。同時，為了解決當前冷卻劑材料遇到的相關問題，國際上也提出了許多的解決方案，如采用氦氙混合工質或超臨界二氧化碳、重氮等新型冷卻劑材料。但是該技術仍處于研發階段，距離實際應用還有一段距離。