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)電的同時還生產(chǎn)裂變元素钚。但由于采用低富集鈾的水冷堆在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢而被其超越，氣冷堆僅在英國得到商用發(fā)電應(yīng)用。經(jīng)過幾十年的研究發(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。由于沒有金屬材料，冷卻劑出口溫度可以達(dá)到和超過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,德國科學(xué)家提出的高溫氣冷堆模塊化設(shè)計概念，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。固有安全性設(shè)計省去了冗余的安全設(shè)置，省去了承壓安全殼，簡化了反應(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)計可以直接耦合氦氣透平機組，使能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)更簡單，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散性能，以及高效率發(fā)電和制氫能力，在國際上受到廣泛重視，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，很多國家都積極地投入了開發(fā)研制工作。中國和日本分別建造了小型高溫氣冷實驗堆，即中國的10 MW球形燃料堆（HTR－10）及日本的30 MW柱狀燃料堆（HTTR）。為擴大商用堆單堆功率規(guī)模都采用環(huán)形堆芯設(shè)計，在原柱狀燃料堆實驗的基礎(chǔ)上，美國和俄國聯(lián)合設(shè)計了柱狀燃料模塊堆（GT-MHR），日本也設(shè)計了柱狀燃料模塊堆（GTHTR300），單堆熱功率均為600 MW，電功率接近300 MW。在原德國卵石床堆（球形燃料堆）實驗的基礎(chǔ)上，中國和南非分別設(shè)計了球形燃料模塊堆（HTR-PM及PBMR），熱功率為458和400 MW，電功率為195和165 MW。

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

      模塊化設(shè)計的單堆功率較小，提高功率改善反應(yīng)堆經(jīng)濟(jì)性是一個主要研究課題。為達(dá)到商用核電的經(jīng)濟(jì)規(guī)模，美國設(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)競爭力。球形燃料堆的功率規(guī)模更小，和柱狀燃料堆一樣設(shè)計上也存在一些技術(shù)問題，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現(xiàn)上述規(guī)模，恐怕很難成為經(jīng)濟(jì)上有競爭力的第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)計上的一次巨大變革。首先，卵石床堆能夠成功運行說明了包含覆蓋顆粒的獨一無二的球形燃料的成功；其次，說明了燃料球以極其簡單的方式——卵石隨機堆積形式——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)成方式卻異常簡單，就如同從卡車上把“卵石”卸到空腔一樣。這種堆芯結(jié)構(gòu)雖然簡單，但不夠完善，球形燃料元件潛在的巨大優(yōu)越性還沒有表現(xiàn)出來。

      對現(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)問題，參見文獻(xiàn)[1]。過分簡單的隨機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)計中，顯現(xiàn)出很多不足和缺憾：

•       反應(yīng)堆運行過程中“燃料卵石”從上向下移動，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，只好提高卵石流動速度，使它們平均6次或10次穿過堆芯后達(dá)到目標(biāo)燃耗。這樣做的結(jié)果，增加了裝卸機構(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；
•       卵石的隨機堆積使燃料裝入后不能實驗測量中子注量率和功率分布，而且很難監(jiān)測可能產(chǎn)生的局部密實化（結(jié)晶化），對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AVR實驗堆安全性產(chǎn)生懷疑和爭議的原因之一；
•       冷卻劑穿過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)分析見文獻(xiàn)[2]。這主要是因為卵石以“無序”和“隨機”的狀態(tài)散裝在堆芯內(nèi)造成的，對卵石床進(jìn)行改進(jìn)是必要的，可能的，也是容易實現(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)造成的問題。首先，燃料球不應(yīng)該被簡單地看成“卵石”，因為卵石一般是指大小不一形態(tài)各異的石塊，隨機堆積是它唯一的堆放形式。球在隨機堆積中，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％，見圖2。但燃料球不同，它是經(jīng)過精密加工尺寸精確和形狀規(guī)則的球體，除隨機堆積外，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,見圖3。美國布魯克海文實驗室在上世紀(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)則床的實驗研究[3]。有關(guān)規(guī)則床模塊堆的技術(shù)特性，詳見文獻(xiàn)[2]。

圖2 兩色球的隨機堆積                                 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，由頂部隨機落入的燃料球，就會依次排列成規(guī)則堆積床。有關(guān)規(guī)則床模塊式高溫氣冷堆概念設(shè)計及燃料裝卸特點，詳見文獻(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，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，影響球床流動特性和產(chǎn)生石墨粉問題，以及球床局部密實化的問題，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)堆啟動階段，可以實驗測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堆積到有序排列的改變，對反應(yīng)堆物理、熱工和結(jié)構(gòu)設(shè)計，反應(yīng)堆運行方式以及擴展反應(yīng)堆應(yīng)用領(lǐng)域都產(chǎn)生重要影響，現(xiàn)簡述如下：

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，不會因流動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)計值47%,這將對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)計不確定因素

      球形燃料元件不同于柱狀燃料元件和其它類型反應(yīng)堆的燃料元件，它特有的優(yōu)點是品種單一、便于批量生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)強度高、輻照穩(wěn)定性好，便于裝卸、運輸和貯存等。規(guī)則床模塊堆除保留了這些優(yōu)點外，還排除了卵石床堆設(shè)計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，甚至對這種堆型的開發(fā)產(chǎn)生疑慮。規(guī)則床設(shè)計則可以在這種強快中子輻照區(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)的流動規(guī)律，只能在冷態(tài)下做些實驗，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)計計算程序，去預(yù)測堆內(nèi)溫度和功率分布。如果預(yù)測不夠準(zhǔn)確，還會發(fā)生過熱或過燃耗情況。反應(yīng)堆長年運行情況是復(fù)雜的，不會一成不變地遵守球流對應(yīng)燃耗分布的規(guī)律，例如，運行中出現(xiàn)設(shè)備故障，會改變球的流動與燃耗的對應(yīng)關(guān)系，甚至有時可能需要卸出全部燃料，當(dāng)再裝入堆芯時，就沒有燃耗分布規(guī)律了，會造成運行工況異常復(fù)雜。在規(guī)則床堆芯內(nèi)，不存在這些問題。

4.3.堆體結(jié)構(gòu)和運行方式簡化

      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)計是簡單的。卵石床堆芯有又粗又長的燃料球出口管，當(dāng)堆芯較小時，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，沒有出球管，簡化了復(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，不需要在運行中裝入和卸出燃料，也就沒有在高溫高壓和強放射性條件下維護(hù)換料設(shè)備的需要。
  
4.4.燃料裝卸運輸和貯存發(fā)生重大變化 

      規(guī)則床堆定期停堆換料與壓水堆的運行方式相同，但換料操作大不相同。因為60 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)行強放射性操作。當(dāng)進(jìn)行堆芯換料時，只需要打開壓力殼上的一些開孔，不需打開壓力殼封頭，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)計停堆換料所需時間也會短于壓水堆的時間。同樣，它的轉(zhuǎn)移也不需要水下運輸和水池貯存，是一種較簡單的干法運輸和貯存，因此它會給反應(yīng)堆的設(shè)計和更廣泛的應(yīng)用帶來革命性變化。

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輸，反應(yīng)堆卸出的燃料球經(jīng)過燃耗測量，可分辯出它們不同的燃耗深度，這些用過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，這將帶來核燃料利用的一次重大革新。燃料球循環(huán)利用系統(tǒng)見圖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，是以前任何小型動力堆所沒有的低成本。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)模動力堆應(yīng)用的重要突破，在世界上將會有龐大的市場需求。

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)堆市場和分布式能源

      由2～3個規(guī)則床模塊堆組成大型核電站，具有對商用壓水堆的競爭能力。但它更具競爭優(yōu)勢的是中小功率規(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)模小比投資相對較高，但對于有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爭，而中小型核能源可能以更高的效率直接節(jié)省價格更高的石油、天然氣或電力，有較高競爭力。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)備相對簡單容易，具有先行開發(fā)優(yōu)勢，因此更具現(xiàn)實性和經(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)中不僅可以將幾個模塊堆組合為一個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)動力
 
      船舶推進(jìn)動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％。如果核能能夠為這一領(lǐng)域提供部分能源，具有重大意義?？墒牵^去幾十年的研究和開發(fā)中，用于商船推進(jìn)動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，但沒有取得商用成功。貨運船舶推進(jìn)動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)延長換料期，又導(dǎo)致燃料成本過高，這可能就是無法取得核動力船舶商業(yè)應(yīng)用成功的主要原因。

      規(guī)則堆積形成的類似結(jié)晶的堆芯結(jié)構(gòu)，耐振動抗沖擊，與隨機堆積不同，振動不會改變堆積密度，不會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，對船的空間利用、減輕屏蔽重量以及增強船體穩(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耦合的特性，都是先進(jìn)船舶動力所需要的。特別是不同于壓水堆，它的燃料操作相對簡單，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題。有關(guān)規(guī)則床模塊堆船舶應(yīng)用的研究，詳見另外的論文[6,7]。

4.6.3．增強自身防護(hù)能力的地下核電站

      核電發(fā)展面臨的主要問題是：提高安全性、經(jīng)濟(jì)性、防擴散性和自身防護(hù)能力。前三個問題，正如前面的論述，規(guī)則床模塊堆都有明顯的改善。加強核電站整體設(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，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，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，帶來許多研究開發(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發(fā)工作

      卵石床堆采用燃料球連續(xù)換料，可以減少過剩反應(yīng)性。因此不必添加可燃毒物，有利于中子經(jīng)濟(jì)性。減少換料停堆時間，提高電站利用因子。規(guī)則床堆沒有連續(xù)換料特性，當(dāng)添加可燃毒物克服過剩反應(yīng)堆時，它如同柱狀燃料堆，需要提高燃料初始富集度大約幾個百分點。當(dāng)高溫氣冷堆引入增殖材料釷時，可以不添加可燃毒物，不僅反應(yīng)性波動小，還能利用釷的增益延長運行時間。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現(xiàn)釷的利用，這是有待進(jìn)一步研究的問題。即使如柱狀燃料堆那樣，添加可燃毒物，富集度的提高對總經(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，卻換來了上述諸多優(yōu)點，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。實現(xiàn)燃料球堆芯從“無序”到“有序”的轉(zhuǎn)變，僅僅是球體排列方式的轉(zhuǎn)變，是一種簡單的物理規(guī)律，很容易由不含核燃料的球體在一般實驗室的模擬裝置中得到驗證。一旦球形元件的裝卸和規(guī)則排列在模擬實驗中得到證實，反應(yīng)堆的其他研究開發(fā)工作，都是成熟的，沒有超出球形燃料堆和柱狀燃料堆的設(shè)計研究范圍。

      最好的模擬實驗是利用實際尺寸的石墨球在模擬堆芯上進(jìn)行燃料裝卸和堆積實驗，它與高溫氣冷堆的實際情況十分接近。利用同一裝置還可研制專用的裝卸設(shè)備、工具和儀器，并且測量規(guī)則床性能和氣體流動阻力等參數(shù)。另一項研究課題是有關(guān)燃料球屏蔽轉(zhuǎn)運問題，它雖然比壓水堆乏燃料組件的轉(zhuǎn)運簡單，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。在這些實驗和模塊式高溫氣冷堆設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)上，可以直接設(shè)計和建造規(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，對反應(yīng)堆的性能和應(yīng)用產(chǎn)生重大影響。對于以發(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需求，對于全球替換化石燃料，減少污染排放和應(yīng)對氣候變化具有重要意義。

      這種具有基礎(chǔ)創(chuàng)新意義的研究和開發(fā)，其核心是對球形元件的堆積和裝卸，以及轉(zhuǎn)移和運輸技術(shù)的研究，是容易實現(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)略價值和應(yīng)用前景。

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