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氦制冷技術(shù)助力未來(lái)核能發(fā)展

文章出處：責(zé)任編輯：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2025-10-20 14:46:13【大中小】

制冷技術(shù)助力未來(lái)核能發(fā)展

高純氦氣

氦制冷核反應(yīng)堆是第三代風(fēng)冷堆，采用高純度石墨作為減速劑，使用氮?dú)庾鳛槔鋮s劑。它是第四代核技術(shù)系統(tǒng)軟件——高溫氣冷堆。這里的持續(xù)高溫意味著氣體溫度超過(guò)了相對(duì)較高的水平。畢竟，在這種核反應(yīng)堆中，使用結(jié)構(gòu)陶瓷和耐高溫的高純度石墨建筑材料，并使用惰性氮作為冷卻液，從而將氣體環(huán)境溫度提高到750℃以上。同時(shí)，由于建筑材料中的高純度石墨消化和吸收的氫核較少，因此增加了燃燒消耗。此外，由于顆粒能量表面積大，氮?dú)?/span>

氦制冷原子爐的燃料應(yīng)采用溶膠凝膠法，將二氧化鈾或碳化鈾制成直徑小于1mm的小球，并用熱裂解碳涂層和氮化硅涂層包裹。每個(gè)球通常涂有三層，最里面的涂層多孔結(jié)構(gòu)可以緩存由于加熱和輻射膨脹引起的吸水膨脹；最外層的涂層密度相對(duì)較高，可以防止裂變氣體逸出。這兩層之間有氮化硅鍍層，阻擋了固體裂變產(chǎn)品的外逸。將這種涂層生物顆粒燃料與鱗片石墨均勻混合后，在外面包裹一些鱗片石墨，可以制成棱柱形、圓柱形或珠形燃料元件。柱狀元件之間有汽體流下的安全通道，球形元件是實(shí)心的。當(dāng)球形部件堆積時(shí)，它們之間有一個(gè)空隙，可以通過(guò)汽體。由于每個(gè)天然材料球都有多層外殼，每個(gè)天然材料球都被高純度石墨包圍，因此此類(lèi)燃料元件在堆中不會(huì)開(kāi)裂。在氦引風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，高溫氣冷堆的冷卻劑為氮?dú)?，它不斷地通過(guò)堆芯將裂變產(chǎn)生的熱量帶走，并進(jìn)行閉環(huán)循環(huán)。堆芯放置在預(yù)制混凝土高壓容器中，內(nèi)襯高純度石墨。
氦制冷原子爐的冷卻液是氮?dú)?，?dāng)球形元件重合時(shí)，它們之間有一個(gè)間隙，可以持續(xù)高溫氮?dú)獯┻^(guò)。由氦氣引風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，氮?dú)馔ㄟ^(guò)堆芯不斷地將裂變亞熱帶出來(lái)，進(jìn)行封閉循環(huán)。氮?dú)鈮毫σ话銥?MPa。目前，高溫氣冷堆主要有三種類(lèi)型：第一種是采用蒸汽進(jìn)行間接循環(huán)的高溫氣冷堆。核反應(yīng)堆出口溫度約為750℃，氮壓為4MPa。假設(shè)有一座100萬(wàn)千瓦的高溫氣冷堆，氮?dú)獾目偭髁棵啃r(shí)達(dá)到4600噸。當(dāng)這種閉式循環(huán)高溫氮?dú)馔ㄟ^(guò)燃?xì)庹羝仩t管道時(shí)，燃?xì)庹羝仩t管道中的流動(dòng)性將二回路水轉(zhuǎn)化為熱蒸汽，并像壓水堆一樣驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)。這種間接高溫氣冷堆的基礎(chǔ)設(shè)施投資可能比相同體積的壓水堆核電站高出40%，多濃鈾必須用90%聚集，經(jīng)濟(jì)上沒(méi)有利潤(rùn)。二是高溫氣冷堆，立即周而復(fù)始。這種堆產(chǎn)生850℃高溫氮?dú)?，不?jīng)過(guò)燃?xì)庹羝仩t這一中間商，直接到氦汽輪發(fā)電機(jī)。氦汽輪發(fā)電機(jī)排出

余熱回收可以滿足氨蒸氣的重復(fù)利用。這種雙向循環(huán)系統(tǒng)用于生產(chǎn)和發(fā)電，熱利用率可達(dá)50%。氦汽輪發(fā)電機(jī)的余熱也可以用來(lái)回收和加熱，使其成為核火力發(fā)電。由于高溫氣冷堆沉淀的放射性物質(zhì)非常少，當(dāng)反應(yīng)堆堆芯的高溫氮?dú)饬⒓创龠M(jìn)氦汽輪發(fā)電機(jī)的維護(hù)不會(huì)像沸水堆核電廠的立即循環(huán)系統(tǒng)那樣困難。第三種類(lèi)型是特高溫氣冷反應(yīng)堆。這種堆的氮?dú)獬隹跍囟雀哂?50℃，可以煉鐵、生產(chǎn)和制造H2、煤炭的汽化和氣化。如果兩個(gè)氨蒸氣循環(huán)系統(tǒng)在氣輪機(jī)后生產(chǎn)和發(fā)電，熱利用率將達(dá)到60%。原材料是研發(fā)后高溫氣冷堆的兩個(gè)重要問(wèn)題。目前使用的材料強(qiáng)度不能滿足850-1200℃范圍內(nèi)的要求。氦氣引風(fēng)機(jī)、氦汽輪發(fā)電機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備也需要研發(fā)。

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