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什么是气冷反应器?

气冷反应器

气冷反应堆(简称 GCR)是一种核反应堆,它使用石墨作为中子减速剂,并在可用的设计中使用包括二氧化碳或氦气的气体作为冷却剂。尽管有不同类型的气体冷却反应器,但术语 GCR 和(在较小程度上)气冷反应器专门用于指代这种反应器类型。

GCR 可以利用天然铀作为燃料,开发它们的国家能够在不依赖其他国家供应浓缩铀的情况下生产燃料。它在 1950 年代开发时仅在美国或苏联可用。

目前,气冷反应堆约占全球商业运行的所有反应堆的 3%。所有这些都是英国先进的二氧化碳气体冷却反应堆,将于 2020 年代中期逐步淘汰。

许多成员国对使用氦作为冷却剂的先进高温气冷反应堆 (HTGR) 感兴趣。这些类型的反应堆可以获得非常高的燃料利用率并在高温下工作。它们还产生用于制氢和低温应用的工艺热量,包括海水淡化和区域供热。

气冷反应堆基础知识

气冷反应堆利用石墨作为中子减速剂和二氧化碳作为冷却剂。凭借 3% 的市场份额,全部安装在英国。这些反应堆使用天然或稍微浓缩的铀作为燃料。

如下图所示,二氧化碳在堆芯内部循环,吸收燃料部件的热量,达到650°C。

然后流向位于反应堆混凝土压力容器外部的热交换器。这些是使用直流式基本原理来煮沸流动水的气水换热器类型。然后在传统的蒸汽循环中应用水。

直流锅炉根据水的临界点运行。随着兰金循环中压力的增加,对应于该压力的饱和温度增加。因此,随着压力的增加,所需的潜热量减少。在临界点,不需要潜热,因此,水直接蒸发成蒸汽。直流锅炉在高于临界水点压力的压力下工作。因此,它们也被称为“超临界锅炉”。

在该设计中,为了穿透慢化剂并控制反应,使用了硼控制棒。此外,可能还有一个二次停机系统,涉及向冷却剂中注入氮气。

然而,在第二代气冷反应堆中,蒸汽发生器安装在混凝土压力容器内,需要更大的结构,因此需要更多的资本成本。

在下一节中,我们将解释第一代和第二代气冷堆。

第一代 GCR

第一代气冷反应是在英国和法国进行的,其中天然铀燃料和镁或镁合金用于包壳。以下工厂使用带有不锈钢包壳的低浓缩铀氧化物燃料。截至 2014 年底,所有 15 个活跃的 GCR 都位于英国。

第一代 GCR 通常有两种类型:

马格诺克斯反应堆

Magnox 是一种核气冷反应堆,设计用于以石墨为减速剂、CO 2作为冷却剂的天然铀。这个名字源于用于包覆反应堆中燃料棒的镁铝合金。与大多数其他第一代核反应堆一样,Magnox 旨在为英国的核武器计划生产电力和钚 239。该名称特指在英国完成的设计,但有时也泛指任何类似的反应堆。

与其他生产钚的反应堆一样,保存中子是设计的一个重要元素。在 Magnox 中,中子在大石墨块中慢化。尽管更传统的商业轻水反应堆需要稍微浓缩的铀,但石墨作为减速剂的能力支持 Magnox 使用天然铀燃料运行。

石墨在空气中很容易被氧化,所以核心用二氧化碳气体冷却。然后,它被泵送到热交换器以产生蒸汽,以运行传统的蒸汽涡轮机来发电。堆芯的一侧是开放的,因此可以在反应堆仍在运行时添加或消除燃料元素。

总共只建造了几十个 Magnox 反应堆。其中大部分是1950年代至1970年代在英国建造的,很少出口到其他国家。这种类型的第一个反应堆是 1956 年的 Calder Hall,它通常被认为是世界上第一个商业规模的发电反应堆。然而,英国的最后一个在 2015 年关闭。 自 2016 年以来,朝鲜仍然是唯一一个在科学研究中心使用 Magnox 反应堆的运营商。

Magnox 设计被具有类似冷却系统的先进气冷反应堆所取代,但进行了一些更改以提高经济性能。

UNGG反应堆

UNGG是Uranium Naturel Graphite Gaz的缩写,是法国开发的一种过时的核动力反应堆设计。它是石墨慢化的,由 CO 2冷却,使用天然铀金属燃料。法国第一代核电站是UNGG。在这十个单位中,通常由于经济原因,都在 1994 年底结束。

与英国的 Magnox 设计并行,UNGG 反应堆是独立开发的,以同时满足类似的电力和钚发电要求。

UNGG采用镁锆合金作为燃料包壳材料,而不是Magnox中的镁铝合金。由于两个包壳都会与水发生反应,因此它们可能会很快被储存在乏燃料池中。因此,燃料的短期后处理是必不可少的,为此需要高度屏蔽的设施。

Magnox 和 UNGG 反应器的区别

这两种类型的第一代 GCR 之间的主要区别在于燃料包壳材料。它们都主要在其原产国建造,并有几次出口销售:两个 Magnox 工厂出口到日本和意大利,一个 UNGG 工厂出口到西班牙。

Magnox 和 UNGG 都使用了不适合在中期储存在水下的燃料包壳材料,这使得后处理成为核燃料循环的重要组成部分。这两种类型都是在其原产国设计和使用的,以制造武器级钚,但代价是尽管准备了在线加油,但主要中断了用于电力生产的用途。

第二代 GCR 

第二代反应堆是核反应堆的设计类别,是指 1990 年代末建造的商业反应堆。这些与第一代反应堆相反,第一代反应堆指的是早期的动力反应堆。

第二代反应堆的初始设计寿命通常为 30 年或 40 年。设定这个期限是为了偿还工厂的贷款。但是,许多第二代反应堆的寿命长达 50 或 60 年。此外,在某些情况下,长达 80 年的第二次寿命延长可能是经济的。到 2013 年,大约四分之三的美国反应堆获得了延长寿命至 60 年的许可证。

先进气冷堆

先进气冷反应堆 (AGR) 是英国设计和运行的核反应堆。这是英国的第二代气冷反应堆,利用石墨作为中子减速剂,CO 2作为冷却剂。自 1980 年代以来,它们一直是英国核电站的骨干力量。

AGR 是 Magnox 反应堆的发展形式,是英国的第一代反应堆设计。第一个 Magnox 工厂是为了生产钚而运行的,因此它的特性对于发电来说并不是最经济的。

其中的主要要求是使用天然铀运行,并且需要具有低中子截面的冷却剂(这里是二氧化碳)和有效的中子减速剂石墨。与其他发电厂相比,Magnox 运行的气体温度几乎更低,这导致蒸汽条件效率较低。

AGR 设计保留了 Magnox 的石墨慢化剂和二氧化碳冷却剂。然而,它提高了冷却气体的工作温度以改善蒸汽条件。它们的制造方式与燃煤发电厂的相同,提供相同的应用涡轮机和发电设施设计。

在设计的早期阶段,有必要将铍覆层变成不锈钢。钢的中子截面比铍高,这种转变需要应用浓缩铀燃料来平衡。这一变化导致每吨燃料的燃耗更大,达到 18,000 兆瓦天,需要更少的定期加油。

AGR 原型机于 1962 年在 Windscale 进行了实践,但第一个商业 AGR 直到 1976 年才开始工作。在 1976 年至 1988 年期间,总共在六个地点建造了十四座 AGR 反应堆。所有这些反应堆都在一座建筑物中配置了两个反应堆。每个反应堆的设计火力发电量为 1,500 兆瓦,可驱动 660 兆瓦的发电机组。不同的 AGR 工厂产生从 555 MW 到 670 MW 的电力输出。然而,由于操作限制,其中一些的工作输出低于设计。

AGR 的设计使锅炉截止阀处的最终蒸汽条件与传统燃煤电厂的蒸汽条件相同。因此,可以应用相同设计的涡轮发电机。

先进气冷反应堆的示意图如下所示。

换热器位于钢筋混凝土压力容器和辐射屏蔽内。根据图中标号,该反应器各部件名称如下:

  1. 充电管
  2. 控制棒
  3. 石墨版主
  4. 燃料组件
  5. 混凝土压力容器和辐射屏蔽
  6. 气体循环器
  7. 水循环器
  8. 热交换器
  9. 蒸汽

热冷却剂意味着离开反应堆堆芯的温度设计为 648°C。为了达到这些高温,同时确保有用的石墨芯寿命(由于高温下石墨在 CO 2中容易氧化),在锅炉出口的较低温度 278 °C 下使用回流冷却剂流来冷却石墨. 它使石墨核心温度与 Magnox 站的温度没有太大差异。过热器的出口温度和压力设计为 170 bar 和 543 °C。

燃料是浓缩的二氧化铀颗粒,装在不锈钢管中,浓度为 2.5-3.5%。由于铍基包壳原有设计理念的脆性断裂,提出了采用不锈钢包壳以提高中子俘获损失的想法。这显着导致了 AGR 发电成本的增加。

CO 2冷却剂在堆芯中循环,其温度达到 640 °C,压力约为 40 bar。然后,它穿过堆芯外但仍在混凝土压力容器内的锅炉组件(蒸汽发生器)。

石墨慢化剂通过控制棒穿透,当控制棒无法进入堆芯时,二级系统将氮气注入冷却剂以带走热中子,以防止裂变过程。如果反应堆必须在不适当的控制棒减少的情况下减压,则应用通过将硼珠注入反应堆来操作的停堆系统。这意味着无法维持氮气压力。

先进的气冷反应堆旨在提供约 41% 的高热效率(定义为产生的电力与产生的热量之比)。该值比现代更好加压W¯¯亚特ř eactors(压水堆),具有大约34%的典型的热效率。这是因为冷却剂出口温度更高(AGR 约为 640 °C,而 PWR 约为 325 °C)。

但是,对于相同的输出,反应堆堆芯的尺寸必须更大。此外,在放电时,燃料燃烧率较低。因此,虽然较高的热效率是一个优势,但燃料的使用效率较低。

录像机

甚高温反应堆 (VHTR) 是一种高温气冷反应堆 (HTGR),从概念上讲,它可以达到高达 1000 °C 的高出口温度。

HTGR 有两种主要类型,包括球床反应器 (PBR) 和棱柱块反应器 (PMR)。卵石床反应器包含置于圆柱形压力容器中的卵石形式的燃料。棱柱块反应堆具有棱柱块堆芯结构,其中六角形石墨块放置在圆柱形压力容器中。根据反应堆的设计和所需功率,两个反应堆都可以将燃料放入带有石墨中心尖顶的环形部分。

气冷堆相对于水冷堆的优势 

气冷反应堆比水冷反应堆具有潜在的运行和安全优势。研究该技术的主要操作动机是通过更高的反应器操作温度提高能量转换效率。例如,水冷反应堆可能的最高温度限制在 350°C 左右,这使得转换效率(输出电力与热量的比率)约为 32-34%。

相比之下,GCR 可以在高达 800-850°C 的温度下运行,使用传统蒸汽轮机设备产生超过 40% 的热电转换效率,或者使用更先进的燃气轮机设备产生高达 50% 的热电转换效率。

从安全角度来看,气冷堆通常采用较低的堆芯功率密度和较高的热容量堆芯,以支持冷却剂损失事故后有限的燃料温度。

由于它们使用各种形式的燃料和包壳,它们避免了蒸汽/锆包壳的化学反应,这会在轻水反应堆中的意外条件下释放爆炸性氢气。此外,与传统的 PWR 和 BWR(沸水反应堆)不同,一些气冷反应堆设计能够在全功率性能期间补充燃料,这显示出一些运行优势和更高的工厂可用性。

一些气冷反应堆的建造和运行使用二氧化碳气体或氦气来冷却反应堆堆芯。与水慢化反应堆相比,石墨中子慢化剂在商业气冷反应堆中的应用导致吸收的中子更少。