1．高溫氣冷堆的技術(shù)進(jìn)展

      氣體冷卻反應(yīng)堆與水冷卻反應(yīng)堆一樣都是最早開(kāi)發(fā)研究的堆型。初期由二氧化碳?xì)怏w冷卻的這種反應(yīng)堆在發(fā)電的同時(shí)還生產(chǎn)裂變?cè)仡小５捎诓捎玫透患櫟乃涠言诩夹g(shù)與經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)而被其超越，氣冷堆僅在英國(guó)得到商用發(fā)電應(yīng)用。經(jīng)過(guò)幾十年的研究發(fā)展，氣冷堆技術(shù)顯現(xiàn)出許多優(yōu)越性。其中工作溫度高，熱能轉(zhuǎn)換效率高的堆型，被稱(chēng)為高溫氣冷堆。高溫氣冷堆是以耐高溫陶瓷型包覆顆粒為燃料，以具有化學(xué)惰性和反應(yīng)性惰性的氦氣為冷卻劑，以耐高溫石墨為慢化劑、反射層和結(jié)構(gòu)材料。由于沒(méi)有金屬材料，冷卻劑出口溫度可以達(dá)到和超過(guò)950℃，發(fā)電效率能夠比水冷堆高出40％。除發(fā)電外，還能作為高溫工藝用熱以及高效率制氫的供熱能源。

      上世紀(jì)80年代,德國(guó)科學(xué)家提出的高溫氣冷堆模塊化設(shè)計(jì)概念，排除了堆芯熔化和發(fā)生嚴(yán)重事故的可能，提高了反應(yīng)堆的固有安全性。使它從第2代和第3代核電堆型中脫穎而出，具備了第4代堆得一些特點(diǎn)。固有安全性設(shè)計(jì)省去了冗余的安全設(shè)置，省去了承壓安全殼，簡(jiǎn)化了反應(yīng)堆系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)。有更寬容的選址適用范圍，可以靠近城市或人口密集區(qū)域。另外，模塊化設(shè)計(jì)可以直接耦合氦氣透平機(jī)組，使能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，發(fā)電效率更高。它的高度的反應(yīng)堆安全性、顆粒燃料良好的防核擴(kuò)散性能，以及高效率發(fā)電和制氫能力，在國(guó)際上受到廣泛重視，被列為第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)中優(yōu)先發(fā)展的堆型之一。

      前些年，很多國(guó)家都積極地投入了開(kāi)發(fā)研制工作。中國(guó)和日本分別建造了小型高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆，即中國(guó)的10 MW球形燃料堆（HTR－10）及日本的30 MW柱狀燃料堆（HTTR）。為擴(kuò)大商用堆單堆功率規(guī)模都采用環(huán)形堆芯設(shè)計(jì)，在原柱狀燃料堆實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，美國(guó)和俄國(guó)聯(lián)合設(shè)計(jì)了柱狀燃料模塊堆（GT-MHR），日本也設(shè)計(jì)了柱狀燃料模塊堆（GTHTR300），單堆熱功率均為600 MW，電功率接近300 MW。在原德國(guó)卵石床堆（球形燃料堆）實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，中國(guó)和南非分別設(shè)計(jì)了球形燃料模塊堆（HTR-PM及PBMR），熱功率為458和400 MW，電功率為195和165 MW。

      多年來(lái)球形燃料堆和柱狀燃料堆形成了兩套設(shè)計(jì)體系，它們的主要區(qū)別是堆芯燃料元件形狀和尺寸的不同，一個(gè)是六角形棱柱燃料，另一個(gè)是球形燃料，見(jiàn)圖1。

      模塊化設(shè)計(jì)的單堆功率較小，提高功率改善反應(yīng)堆經(jīng)濟(jì)性是一個(gè)主要研究課題。為達(dá)到商用核電的經(jīng)濟(jì)規(guī)模，美國(guó)設(shè)想4×600 MW組合的柱狀燃料堆，總電功率接近1200 MW，但卻認(rèn)為缺乏經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。球形燃料堆的功率規(guī)模更小，和柱狀燃料堆一樣設(shè)計(jì)上也存在一些技術(shù)問(wèn)題，如果僅僅停留在80年代以前AVR及THTR卵石床堆的研究水平上，單堆功率甚至還不能實(shí)現(xiàn)上述規(guī)模，恐怕很難成為經(jīng)濟(jì)上有競(jìng)爭(zhēng)力的第4代核電堆型。

圖1 球形燃料元件及柱狀燃料元件
Fig.1 Spherical and prismatic fuel elements

2．卵石床堆存在的問(wèn)題

      卵石床堆的堆芯結(jié)構(gòu)與其它各種堆型截然不同，它是堆芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的一次巨大變革。首先，卵石床堆能夠成功運(yùn)行說(shuō)明了包含覆蓋顆粒的獨(dú)一無(wú)二的球形燃料的成功；其次，說(shuō)明了燃料球以極其簡(jiǎn)單的方式——卵石隨機(jī)堆積形式——構(gòu)成堆芯的成功。這種構(gòu)成堆芯方式不同于現(xiàn)有其它各種類(lèi)型反應(yīng)堆，如：壓水堆、沸水堆、重水堆以及快中子增殖堆，它們都是將燃料元件做成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的燃料組件，其中包括一些彈性元件及保持冷卻劑均勻分布的元件，再將組件安置在更為復(fù)雜的堆芯結(jié)構(gòu)內(nèi)。這樣它們才能適應(yīng)強(qiáng)輻照、高溫、高流速以及高熱負(fù)荷的環(huán)境，承受高燃耗下的腫脹、變形甚至破損的影響。而卵石床能夠適應(yīng)這種嚴(yán)酷的環(huán)境，但構(gòu)成方式卻異常簡(jiǎn)單，就如同從卡車(chē)上把“卵石”卸到空腔一樣。這種堆芯結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但不夠完善，球形燃料元件潛在的巨大優(yōu)越性還沒(méi)有表現(xiàn)出來(lái)。

      對(duì)現(xiàn)有的高溫氣冷堆研究后發(fā)現(xiàn)，卵石床堆存在一些技術(shù)問(wèn)題，參見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。過(guò)分簡(jiǎn)單的隨機(jī)堆積方式不能滿足反應(yīng)堆多方面的技術(shù)要求，特別是在模塊化設(shè)計(jì)中，顯現(xiàn)出很多不足和缺憾：

•       反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中“燃料卵石”從上向下移動(dòng)，燃料燃耗從上到下逐漸加深，造成堆芯功率分布極不均勻。為了減緩這種影響，只好提高卵石流動(dòng)速度，使它們平均6次或10次穿過(guò)堆芯后達(dá)到目標(biāo)燃耗。這樣做的結(jié)果，增加了裝卸機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)和卵石的磨損，產(chǎn)生更多的石墨粉。雖然功率均勻性好一些，但還不能達(dá)到展平的效果。功率分布不均勻系數(shù)的設(shè)計(jì)值在4.5左右，與此相比，現(xiàn)代壓水堆的不均勻系數(shù)僅為2.6。這也是導(dǎo)致卵石床模塊堆功率密度低，單堆功率小的原因之一；
•       卵石的隨機(jī)堆積使燃料裝入后不能實(shí)驗(yàn)測(cè)量中子注量率和功率分布，而且很難監(jiān)測(cè)可能產(chǎn)生的局部密實(shí)化（結(jié)晶化），對(duì)溫度分布和功率分布增大了不確定性，限制了輸出功率和溫度的提高，這也是對(duì)AVR實(shí)驗(yàn)堆安全性產(chǎn)生懷疑和爭(zhēng)議的原因之一；
•       冷卻劑穿過(guò)卵石床堆芯的阻力很大，這是造成功率密度低和循環(huán)熱效率低的又一重要原因。

      由于這些問(wèn)題的存在，反應(yīng)堆的一些主要技術(shù)性能遠(yuǎn)不如柱狀燃料高溫氣冷堆，詳細(xì)分析見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。這主要是因?yàn)槁咽浴盁o(wú)序”和“隨機(jī)”的狀態(tài)散裝在堆芯內(nèi)造成的，對(duì)卵石床進(jìn)行改進(jìn)是必要的，可能的，也是容易實(shí)現(xiàn)的。

3．卵石床堆的改進(jìn)

      雖然卵石床堆不能像壓水堆燃料元件那樣做成組件，再由組件構(gòu)成堆芯，但每個(gè)燃料球是可以在堆芯內(nèi)有固定位置，從而改善因散裝狀態(tài)造成的問(wèn)題。首先，燃料球不應(yīng)該被簡(jiǎn)單地看成“卵石”，因?yàn)槁咽话闶侵复笮〔灰恍螒B(tài)各異的石塊，隨機(jī)堆積是它唯一的堆放形式。球在隨機(jī)堆積中，球體重力和球間摩擦力形成一種較松散的平衡體系，其空隙率大約為39％，見(jiàn)圖2。但燃料球不同，它是經(jīng)過(guò)精密加工尺寸精確和形狀規(guī)則的球體，除隨機(jī)堆積外，它還可以呈現(xiàn)規(guī)則堆積。正四棱錐堆積就是規(guī)則堆積之一，在水平的底面上，加工很多半球形凹陷，使落入的燃料球成正方形排列，每4個(gè)球的中心又形成新的凹陷，它又成為次一層球的位置，以此層層累積形成正四棱錐規(guī)則堆積,見(jiàn)圖3。美國(guó)布魯克海文實(shí)驗(yàn)室在上世紀(jì)60年代，曾提出利用這種規(guī)則堆積形式構(gòu)成鈉冷快中子增殖堆堆芯，并進(jìn)行了許多規(guī)則床的實(shí)驗(yàn)研究[3]。有關(guān)規(guī)則床模塊堆的技術(shù)特性，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。

圖2 兩色球的隨機(jī)堆積                                 圖3 兩色球正四棱錐規(guī)則堆積

Fig.2 The random packing of two color spheres Fig.3 The ordered packing of two color spheres

      當(dāng)采用有間隙正四棱錐規(guī)則堆積及一些特殊裝卸燃料措施以后，規(guī)則堆積完全能夠適應(yīng)模塊式高溫氣冷堆堆芯結(jié)構(gòu)要求。燃料球一次裝入和卸出，放棄連續(xù)換料，以批換料方式運(yùn)行。構(gòu)成的堆芯橫截面呈八角形，如果是有中心石墨柱的環(huán)形堆芯，就可以做成八角形環(huán)形堆芯，能滿足規(guī)則堆積要求，它的八分之一模型見(jiàn)圖4。如圖4所示，只要堆芯空腔底面和側(cè)壁做成這種幾何形狀，由頂部隨機(jī)落入的燃料球，就會(huì)依次排列成規(guī)則堆積床。有關(guān)規(guī)則床模塊式高溫氣冷堆概念設(shè)計(jì)及燃料裝卸特點(diǎn)，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[4,5]。

      規(guī)則床模塊式高溫氣冷堆堆芯是一種新穎的堆芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它在多方面改變了卵石床模塊堆特性。卵石床堆存在的高溫下石墨摩擦系數(shù)高，影響球床流動(dòng)特性和產(chǎn)生石墨粉問(wèn)題，以及球床局部密實(shí)化的問(wèn)題，在規(guī)則床中都不存在。由于規(guī)則床內(nèi)分布有直通孔道，在反應(yīng)堆啟動(dòng)階段，可以實(shí)驗(yàn)測(cè)量中子注量率和功率分布，冷卻劑流道也十分規(guī)則，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)堆內(nèi)溫度分布。

圖4 八角形環(huán)形堆芯八分之一堆積模型

Fig.4 One eighth simulator of octagonal core

4．規(guī)則床模塊堆的優(yōu)越特性

      球形燃料元件從隨機(jī)堆積到有序排列的改變，對(duì)反應(yīng)堆物理、熱工和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，反應(yīng)堆運(yùn)行方式以及擴(kuò)展反應(yīng)堆應(yīng)用領(lǐng)域都產(chǎn)生重要影響，現(xiàn)簡(jiǎn)述如下：

4.1.提高反應(yīng)堆性能和參數(shù)

      堆芯燃料球有固定的位置，可將不同燃耗深度的燃料球或石墨球分配到軸向和徑向的預(yù)定位置，能夠精細(xì)地展平兩維空間的功率和溫度分布，改變了卵石床堆功率和溫度分布極其不均勻的狀態(tài)。結(jié)晶化的密實(shí)體堆芯具有結(jié)構(gòu)適應(yīng)性和穩(wěn)定性，允許冷卻劑以多流程或水平方向流經(jīng)堆芯，不會(huì)因流動(dòng)壓力和方向的改變而造成球床密度變化，大大降低了球床流動(dòng)阻力。提高了反應(yīng)堆比功率、冷卻劑出口平均溫度和熱能轉(zhuǎn)換效率。單堆熱功率預(yù)計(jì)可從卵石床堆的400 MW,提高到800 MW以上,而熱能轉(zhuǎn)換效率可以從卵石床堆的41%,提高到接近柱狀燃料模塊堆設(shè)計(jì)值47%,這將對(duì)模塊式高溫氣冷堆的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生重大影響。有可能利用3座或2座模塊堆就能達(dá)到商用核電的經(jīng)濟(jì)規(guī)模。

4.2. 排除了卵石床堆設(shè)計(jì)不確定因素

      球形燃料元件不同于柱狀燃料元件和其它類(lèi)型反應(yīng)堆的燃料元件，它特有的優(yōu)點(diǎn)是品種單一、便于批量生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、輻照穩(wěn)定性好，便于裝卸、運(yùn)輸和貯存等。規(guī)則床模塊堆除保留了這些優(yōu)點(diǎn)外，還排除了卵石床堆設(shè)計(jì)中的一些不確定因素。譬如：靠近堆芯的反射層石墨塊在反應(yīng)堆壽期內(nèi)需要更換，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更換反射層石墨塊是很困難的，由于石墨材料耐輻照數(shù)據(jù)不足，更換周期也難以確定，甚至對(duì)這種堆型的開(kāi)發(fā)產(chǎn)生疑慮。規(guī)則床設(shè)計(jì)則可以在這種強(qiáng)快中子輻照區(qū)以石墨球代替石墨塊，從而減少和避免石墨塊的更換。另外，為了解卵石床堆燃料球在堆芯內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律，只能在冷態(tài)下做些實(shí)驗(yàn)，還不能模擬熱態(tài)下石墨間摩擦系數(shù)增大后的情況。但是，球流規(guī)律卻需要輸入反應(yīng)堆物理熱工設(shè)計(jì)計(jì)算程序，去預(yù)測(cè)堆內(nèi)溫度和功率分布。如果預(yù)測(cè)不夠準(zhǔn)確，還會(huì)發(fā)生過(guò)熱或過(guò)燃耗情況。反應(yīng)堆長(zhǎng)年運(yùn)行情況是復(fù)雜的，不會(huì)一成不變地遵守球流對(duì)應(yīng)燃耗分布的規(guī)律，例如，運(yùn)行中出現(xiàn)設(shè)備故障，會(huì)改變球的流動(dòng)與燃耗的對(duì)應(yīng)關(guān)系，甚至有時(shí)可能需要卸出全部燃料，當(dāng)再裝入堆芯時(shí)，就沒(méi)有燃耗分布規(guī)律了，會(huì)造成運(yùn)行工況異常復(fù)雜。在規(guī)則床堆芯內(nèi)，不存在這些問(wèn)題。

4.3.堆體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式簡(jiǎn)化

      卵石床堆芯有上氣腔、上堆積錐及下出口錐等不規(guī)則形狀。規(guī)則床堆芯上下兩端是平面，沒(méi)有氣腔，緊靠石墨反射層，堆芯幾何形狀為八角形柱體或八角形有石墨芯柱體，形狀規(guī)則。它的反應(yīng)堆物理、熱工設(shè)計(jì)是簡(jiǎn)單的。卵石床堆芯有又粗又長(zhǎng)的燃料球出口管，當(dāng)堆芯較小時(shí)，出口管也需要同樣尺寸，不僅占用更多燃料球，還使小堆的應(yīng)用受到限制。規(guī)則床不需要堆底卸料，沒(méi)有出球管，簡(jiǎn)化了復(fù)雜的堆底結(jié)構(gòu)，也減小了壓力殼尺寸。

      規(guī)則床堆像通常反應(yīng)堆那樣以定期停堆換料方式運(yùn)行，換料操作只在停堆和低溫低壓條件下進(jìn)行，不需要在運(yùn)行中裝入和卸出燃料，也就沒(méi)有在高溫高壓和強(qiáng)放射性條件下維護(hù)換料設(shè)備的需要。
  
4.4.燃料裝卸運(yùn)輸和貯存發(fā)生重大變化 

      規(guī)則床堆定期停堆換料與壓水堆的運(yùn)行方式相同，但換料操作大不相同。因?yàn)?0 mm直徑的燃料球，可以在管道內(nèi)自由輸送，容易設(shè)置防護(hù)和進(jìn)行強(qiáng)放射性操作。當(dāng)進(jìn)行堆芯換料時(shí)，只需要打開(kāi)壓力殼上的一些開(kāi)孔，不需打開(kāi)壓力殼封頭，不需深水防護(hù)，不需要龐大的操作空間和換料廠房。按照文獻(xiàn)[2]所述的裝卸料方法，預(yù)計(jì)停堆換料所需時(shí)間也會(huì)短于壓水堆的時(shí)間。同樣，它的轉(zhuǎn)移也不需要水下運(yùn)輸和水池貯存，是一種較簡(jiǎn)單的干法運(yùn)輸和貯存，因此它會(huì)給反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)和更廣泛的應(yīng)用帶來(lái)革命性變化。

4.5.創(chuàng)建新的燃料元件循環(huán)利用系統(tǒng)

      燃料球便于裝卸和運(yùn)輸，反應(yīng)堆卸出的燃料球經(jīng)過(guò)燃耗測(cè)量，可分辯出它們不同的燃耗深度，這些用過(guò)的燃料球與新燃料球恰好是批換料裝入新堆芯的需要。在功率較大的規(guī)則床堆內(nèi)，燃料球經(jīng)過(guò)多次使用，幾乎都能達(dá)到包覆粒子燃料特有的深燃耗（80000～120000 MWD/tU），因此可獲得較高的燃料經(jīng)濟(jì)性。在功率較小的規(guī)則床堆內(nèi)，所需燃料富集度高而卸出的燃料還不能達(dá)到目標(biāo)燃耗。但燃料球可以不僅僅用在一座堆上，而是用于由許多大小堆組成的一個(gè)燃料球循環(huán)利用系統(tǒng)，完全不同于壓水堆燃料組件只能用于一個(gè)特定反應(yīng)堆的特性。按照這一系統(tǒng)的需要生產(chǎn)新燃料球，最終都平均達(dá)到目標(biāo)燃耗，這將帶來(lái)核燃料利用的一次重大革新。燃料球循環(huán)利用系統(tǒng)見(jiàn)圖5。在圖5所示的系統(tǒng)中，大小堆共享燃料成本，它的重要意義就在于小堆燃料成本顯著降低，是以前任何小型動(dòng)力堆所沒(méi)有的低成本。再加上，模塊式高溫氣冷堆特有的固有安全性，使核能有可能以中小功率規(guī)模，例如熱功率在200～400 MW及20～200 MW，以低于煤炭、石油、天然氣或電力成本，供應(yīng)清潔的電能或熱能。燃料成本的顯著降低是中小規(guī)模動(dòng)力堆應(yīng)用的重要突破，在世界上將會(huì)有龐大的市場(chǎng)需求。

圖5 燃料球循環(huán)利用系統(tǒng) 
Fig.5 Fuel sphere cycle utilization system

4.6.規(guī)則床模塊堆可能應(yīng)用于更廣泛領(lǐng)域

4.6.1.中小型反應(yīng)堆市場(chǎng)和分布式能源

      由2～3個(gè)規(guī)則床模塊堆組成大型核電站，具有對(duì)商用壓水堆的競(jìng)爭(zhēng)能力。但它更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的是中小功率規(guī)模，也可能進(jìn)入壓水堆尚未涉及的領(lǐng)域。由于一些發(fā)展中國(guó)家電網(wǎng)規(guī)模較小，或一些基礎(chǔ)設(shè)施不夠完善的邊遠(yuǎn)地區(qū)，都希望得到中小規(guī)模的核能源。有些工藝用熱或熱電聯(lián)供的用戶，也只能匹配中小規(guī)模。雖然規(guī)模小比投資相對(duì)較高，但對(duì)于有40或60年壽命核能源的經(jīng)濟(jì)效益影響較小，而燃料成本的降低是更重要的經(jīng)濟(jì)特性。在很多情況下，大型核電站是與燃燒電煤的火電廠相競(jìng)爭(zhēng)，而中小型核能源可能以更高的效率直接節(jié)省價(jià)格更高的石油、天然氣或電力，有較高競(jìng)爭(zhēng)力。另外，中小規(guī)模核站及其能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的技術(shù)和設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單容易，具有先行開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)，因此更具現(xiàn)實(shí)性和經(jīng)濟(jì)性。

      即使在大型電力系統(tǒng)中，不僅需要大型集中電源，也需要較小容量的分布式能源。分布式能源有其特有的優(yōu)點(diǎn)和需求，它能以熱電聯(lián)供的高效方式提供能量，能提高電網(wǎng)可靠性和減少輸電損失。因此，規(guī)則床模塊堆在電力系統(tǒng)中不僅可以將幾個(gè)模塊堆組合為一個(gè)核電站作為中心電源，而且可以分散布置模塊堆，成為一種經(jīng)濟(jì)上可行的分布式核能源。

4.6.2．船舶推進(jìn)動(dòng)力
 
      船舶推進(jìn)動(dòng)力是中小型核能可能應(yīng)用的又一重要領(lǐng)域，這一領(lǐng)域的二氧化碳排放量約占世界總排放量的4～5％。如果核能能夠?yàn)檫@一領(lǐng)域提供部分能源，具有重大意義?？墒牵^(guò)去幾十年的研究和開(kāi)發(fā)中，用于商船推進(jìn)動(dòng)力的堆型主要是壓水堆，除破冰船外，世界上曾建造了3艘商船，但沒(méi)有取得商用成功。貨運(yùn)船舶推進(jìn)動(dòng)力需要的熱功率大約在20 MW至200 MW，遠(yuǎn)小于商用發(fā)電壓水堆的經(jīng)濟(jì)規(guī)模，因此造價(jià)很高。另外，在船上安裝壓水堆，燃料更換極其困難，只好減少換料次數(shù)延長(zhǎng)換料期，又導(dǎo)致燃料成本過(guò)高，這可能就是無(wú)法取得核動(dòng)力船舶商業(yè)應(yīng)用成功的主要原因。

      規(guī)則堆積形成的類(lèi)似結(jié)晶的堆芯結(jié)構(gòu)，耐振動(dòng)抗沖擊，與隨機(jī)堆積不同，振動(dòng)不會(huì)改變堆積密度，不會(huì)改變冷卻劑分配特性，具有適應(yīng)船舶應(yīng)用的穩(wěn)定和抗震的特性。規(guī)則床堆芯和壓力殼還可以水平放置，與船的形狀相一致，對(duì)船的空間利用、減輕屏蔽重量以及增強(qiáng)船體穩(wěn)定性是有利的。它特有的固有安全性，排除了發(fā)生嚴(yán)重事故的可能，簡(jiǎn)化了反應(yīng)堆系統(tǒng)，便于安置在船上。模塊化的功率規(guī)模，高溫高效率，以及可直接與氦氣輪機(jī)耦合的特性，都是先進(jìn)船舶動(dòng)力所需要的。特別是不同于壓水堆，它的燃料操作相對(duì)簡(jiǎn)單，燃料可以更換，可能獲得較低燃料成本。這些嶄新特性展現(xiàn)出船舶應(yīng)用以及直接替代燃油和減排溫室氣體做出貢獻(xiàn)的可能性，這方面還有許多有待研究的問(wèn)題。有關(guān)規(guī)則床模塊堆船舶應(yīng)用的研究，詳見(jiàn)另外的論文[6,7]。

4.6.3．增強(qiáng)自身防護(hù)能力的地下核電站

      核電發(fā)展面臨的主要問(wèn)題是：提高安全性、經(jīng)濟(jì)性、防擴(kuò)散性和自身防護(hù)能力。前三個(gè)問(wèn)題，正如前面的論述，規(guī)則床模塊堆都有明顯的改善。加強(qiáng)核電站整體設(shè)施的防護(hù)能力，一直是核電發(fā)展追求的目標(biāo)。在不斷發(fā)生恐怖事件的威脅下，已經(jīng)開(kāi)始研究各種核電站地下設(shè)置的設(shè)想。高溫氣冷堆具有高度安全性，當(dāng)氦氣冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重泄漏事故時(shí)，允許向外界排放，不要求設(shè)置壓水堆那樣的具有較大包容空間的承壓安全殼。反應(yīng)堆的燃料裝卸，也不需要像壓水堆燃料組件那樣的水下運(yùn)輸和龐大的裝卸料空間。規(guī)則床模塊堆的壓力容器和能量轉(zhuǎn)換容器在水平布置時(shí)，便于放置地下或水平山洞內(nèi)，可以建造成具有整體防護(hù)能力的新一代的地下核電站。核電站建造在地下還便于靠近城市和用戶，選址條件更為寬容，特別是有一定危險(xiǎn)性的用戶，例如氫的生產(chǎn)廠，核站在地下靠近，有一定安全保障。

      總之，反應(yīng)堆新概念和新特性，帶來(lái)許多研究開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略定位的創(chuàng)新和思考。

5．規(guī)則床堆的不利因素和需要的研究開(kāi)發(fā)工作

      卵石床堆采用燃料球連續(xù)換料，可以減少過(guò)剩反應(yīng)性。因此不必添加可燃毒物，有利于中子經(jīng)濟(jì)性。減少換料停堆時(shí)間，提高電站利用因子。規(guī)則床堆沒(méi)有連續(xù)換料特性，當(dāng)添加可燃毒物克服過(guò)剩反應(yīng)堆時(shí)，它如同柱狀燃料堆，需要提高燃料初始富集度大約幾個(gè)百分點(diǎn)。當(dāng)高溫氣冷堆引入增殖材料釷時(shí)，可以不添加可燃毒物，不僅反應(yīng)性波動(dòng)小，還能利用釷的增益延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間。而規(guī)則床堆燃料的分區(qū)特性及燃料球的靈活性，有可能利用低富集度鈾實(shí)現(xiàn)釷的利用，這是有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題。即使如柱狀燃料堆那樣，添加可燃毒物，富集度的提高對(duì)總經(jīng)濟(jì)性的影響與其他因素相比也很小。至于，不停堆換料對(duì)負(fù)荷因子的作用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)則床堆提高單堆功率的影響。總之，規(guī)則床模塊堆放棄連續(xù)換料，卻換來(lái)了上述諸多優(yōu)點(diǎn)，獲得戰(zhàn)略上的巨大進(jìn)步。

      規(guī)則床模塊堆表現(xiàn)出多方面優(yōu)越的設(shè)計(jì)性能，很多性能超越了現(xiàn)有球形燃料模塊堆和柱狀燃料模塊堆。實(shí)現(xiàn)燃料球堆芯從“無(wú)序”到“有序”的轉(zhuǎn)變，僅僅是球體排列方式的轉(zhuǎn)變，是一種簡(jiǎn)單的物理規(guī)律，很容易由不含核燃料的球體在一般實(shí)驗(yàn)室的模擬裝置中得到驗(yàn)證。一旦球形元件的裝卸和規(guī)則排列在模擬實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)，反應(yīng)堆的其他研究開(kāi)發(fā)工作，都是成熟的，沒(méi)有超出球形燃料堆和柱狀燃料堆的設(shè)計(jì)研究范圍。

      最好的模擬實(shí)驗(yàn)是利用實(shí)際尺寸的石墨球在模擬堆芯上進(jìn)行燃料裝卸和堆積實(shí)驗(yàn)，它與高溫氣冷堆的實(shí)際情況十分接近。利用同一裝置還可研制專(zhuān)用的裝卸設(shè)備、工具和儀器，并且測(cè)量規(guī)則床性能和氣體流動(dòng)阻力等參數(shù)。另一項(xiàng)研究課題是有關(guān)燃料球屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)問(wèn)題，它雖然比壓水堆乏燃料組件的轉(zhuǎn)運(yùn)簡(jiǎn)單，但還需要研制出一套安全可靠的措施和設(shè)備，以滿足燃料球循環(huán)利用的要求。在這些實(shí)驗(yàn)和模塊式高溫氣冷堆設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)上，可以直接設(shè)計(jì)和建造規(guī)則床模塊式高溫氣冷示范堆。完成具有戰(zhàn)略意義的新一代核能應(yīng)用開(kāi)發(fā)的重要一步。

6．結(jié)論

      球形燃料模塊式高溫氣冷堆堆芯的規(guī)則床設(shè)計(jì)，對(duì)反應(yīng)堆的性能和應(yīng)用產(chǎn)生重大影響。對(duì)于以發(fā)電和制氫為主要目標(biāo)的模塊堆，能提高功率水平、氣體出口溫度和熱能轉(zhuǎn)換效率，從而在較大程度上改善經(jīng)濟(jì)性。

      新奇的“結(jié)晶化”堆芯結(jié)構(gòu)，球形元件特有的靈活性，大小堆燃料都能達(dá)到深燃耗，以及反應(yīng)堆固有安全性等基本特性，使核能有可能擴(kuò)展應(yīng)用于發(fā)電以外的多種領(lǐng)域，特別是中小規(guī)模的應(yīng)用領(lǐng)域，具有極其廣闊的市場(chǎng)需求，對(duì)于全球替換化石燃料，減少污染排放和應(yīng)對(duì)氣候變化具有重要意義。

      這種具有基礎(chǔ)創(chuàng)新意義的研究和開(kāi)發(fā)，其核心是對(duì)球形元件的堆積和裝卸，以及轉(zhuǎn)移和運(yùn)輸技術(shù)的研究，是容易實(shí)現(xiàn)的。這可能為高溫氣冷堆增添新的含意，可能突破原有壓水堆核能應(yīng)用的局限性，具有重要戰(zhàn)略價(jià)值和應(yīng)用前景。

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