球床反應(yīng)堆流動(dòng)設(shè)計(jì)

由于球床反應(yīng)堆不一定需要笨重的壓力外殼，亦沒有巨大的蒸氣冷卻塔，因此體積及重量很低，有可能用來推動(dòng)交通工具。荷蘭 Romawa 設(shè)計(jì)了 8兆瓦的球床反應(yīng)堆，以氦氣加熱空氣推動(dòng)傳統(tǒng)渦輪機(jī)。目的是用來替代輪船上原來使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，又或者代替在偏遠(yuǎn)地區(qū)及后備使用的柴油或燃?xì)獍l(fā)電機(jī)。這種設(shè)計(jì)更換燃料時(shí)可將整個(gè)反應(yīng)堆搬走，在工廠內(nèi)進(jìn)行。美國亦有研究在潛艇上使用球床式反應(yīng)堆。

球床反應(yīng)堆的最大優(yōu)點(diǎn)是它本身比較安全。當(dāng)球狀燃料的溫度增加時(shí)，鈾238吸收中子的速率亦會(huì)增加，令可供引致核裂變的中子減少。故此這種反應(yīng)堆可產(chǎn)生的能量有自然的限制。反應(yīng)堆的容器被設(shè)計(jì)成在沒有機(jī)械幫助下，散熱會(huì)多于核燃料自然產(chǎn)生的熱能。因此從理論上，球床反應(yīng)堆不可能出現(xiàn)核芯熔解。而且由于核燃料是被包圍在燃料球之內(nèi)，若果一個(gè)燃料球爆裂，亦只會(huì)釋放出較少的核燃料。

球床反應(yīng)堆比一般輕水式反應(yīng)堆的運(yùn)行溫度較高，故此球床式能夠以更少的核燃料，產(chǎn)生較多的動(dòng)能。

球床反應(yīng)堆可以無需使用控制桿，以溫度控制反應(yīng)堆的輸出功率。這樣反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)便毋需考慮控制桿插進(jìn)深淺程度不同時(shí)對(duì)中子的影響;而且輸出功率可以根據(jù)需求，透過控制冷卻劑的流量或密度而快速增減。部分球床反應(yīng)堆仍然有保留控制桿，以便維修時(shí)使用。

球床反應(yīng)堆把鈾、釷或钚氧化物核燃料,包裝在網(wǎng)球大小，以熱分解石墨制成的球狀容器內(nèi)。球狀燃料放置在罐狀容器內(nèi)，讓氦、氮、或二氧化碳冷卻劑在燃料球之間通過，將熱能帶走。冷卻劑可以直接推動(dòng)渦輪，亦可以經(jīng)過熱交換，以第二循環(huán)的氣體或蒸氣推動(dòng)渦輪。

球床反應(yīng)堆的這種科技增加了反應(yīng)堆的安全及效率。反應(yīng)堆的核燃料密度比一般的反應(yīng)堆低，就算是失去冷卻，亦不會(huì)出現(xiàn)核芯熔解。反應(yīng)堆使用惰性氣體或接近惰性氣體，如氦、氮、二氧化碳作為冷卻劑，在高溫下直接推動(dòng)渦輪引擎。由于毋須處理蒸氣，系統(tǒng)的熱能效率可以得到提高。

正在發(fā)展這種技術(shù)的國家包括有:美國、南非、荷蘭等。中國的華能亦與清華大學(xué)合作研究;目前已建有十兆瓦的試驗(yàn)反應(yīng)堆，并計(jì)劃于五年內(nèi)興建第一座投產(chǎn)發(fā)電廠。

當(dāng)球狀燃料的溫度增加，鈾238吸收中子的速率亦會(huì)增加，令可供引致鈾235核裂變的中子減少。這種現(xiàn)象稱為多普勒擴(kuò)展 (Doppler Broadening)。在一般的傳統(tǒng)反應(yīng)堆，由于核燃料的密度較高，所以這種現(xiàn)象不具很大的作用。球床反應(yīng)堆的燃料密度較低，故此這種反應(yīng)堆可產(chǎn)生的能量，就算不經(jīng)人手操作，亦有自然的限制。反應(yīng)堆的容器被設(shè)計(jì)成在沒有機(jī)械幫助下，散熱會(huì)多于核燃料自然產(chǎn)生的熱能。而且冷卻劑是惰性氣體，不會(huì)助燃或燃燒，亦不像普通的輕水反應(yīng)堆可能出現(xiàn)蒸氣爆炸。倘若因?yàn)闄C(jī)械故障，球床反應(yīng)堆只會(huì)進(jìn)入及維持怠態(tài)，容器及燃料球都不會(huì)受損。德國的 AVR 之前已曾經(jīng)進(jìn)行這種試驗(yàn)，把所有的控制桿抽出，停止冷卻循環(huán)。之后拿出的燃料球并沒有受損。

球床反應(yīng)堆的溫度被設(shè)計(jì)成低于石墨的退火溫度，避免石墨因維格納力累積而燃燒。

球床反應(yīng)堆擁有多層的包圍保護(hù)，防止輻射外泄:

最外圍的是反應(yīng)堆所在的建筑，用以抵擋飛機(jī)撞擊或地震等自然災(zāi)害。

反應(yīng)堆密封在墻壁厚兩米以上的密室之內(nèi)，只留門戶出入，并有冷卻管道供以水淹浸反應(yīng)堆。

燃料球大小若網(wǎng)球，每個(gè)重約210克，內(nèi)有9 克左右的鈾。一個(gè)120兆瓦的反應(yīng)堆大約需要380,000個(gè)燃料球。燃料球?yàn)?0mm 的空心熱分解石墨，石墨熔點(diǎn)為攝氏3000度，比反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)最高溫度高兩倍，而且非常堅(jiān)硬。

石墨球內(nèi)有一萬五千枚"種子"，每粒種子的核心是直徑0.5mm的裂變物料。種子外部為熱分解石墨。

種子的熱分解石墨之內(nèi)為一層不透氣，不燃燒，非常堅(jiān)硬及強(qiáng)的硅化碳。

之內(nèi)為高密度，不透氣的熱分解石墨。

之內(nèi)為低密度，透氣的熱分解石墨，用來吸收裂變過程產(chǎn)生的放射性氣體。(主要為氙氣)

最核心為裂變物料的氧化或碳化合物

使用過的燃料球，一般可以無需再加密封處理即可運(yùn)走。

據(jù)英國《金融時(shí)報(bào)》報(bào)道，華能集團(tuán)正牽頭組建內(nèi)地能源企業(yè)集團(tuán)，計(jì)劃在山東威海投資興建一家裝機(jī)容量為195兆瓦的氣冷式核電站。這預(yù)示著中國將建設(shè)內(nèi)地首個(gè)球床反應(yīng)堆,并且也是世界上首個(gè)投入商業(yè)運(yùn)營的球床反應(yīng)堆。

據(jù)悉，華能集團(tuán)將占該能源企業(yè)集團(tuán)50%股權(quán)，中國核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)及清華大學(xué)分別持有35%及5%，10%權(quán)益可能預(yù)留給策略投資者，有傳聞?wù)J為該策略投資股東可能來自南非。目前該項(xiàng)目已完成可行性研究，正待政府最后拍板。該企業(yè)集團(tuán)的一位高層人士表示，這座擬建的反應(yīng)堆可能在五年內(nèi)開始發(fā)電。

球床反應(yīng)堆因?yàn)槠淙剂喜捎门_(tái)球般大小、以鈾為核心的小石墨球，故該反應(yīng)堆被命名為"球床"。這家核電站所采用的技術(shù)是新的防熔化方案，它取代了標(biāo)準(zhǔn)的水冷式核電站。這種反應(yīng)堆體積小，適于建在偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)，其采用的技術(shù)能防止核擴(kuò)散。若核電站建成投產(chǎn)，則有望集經(jīng)濟(jì)、安全和易擴(kuò)展于一體，滿足急速增長的能源需求，同時(shí)避免造成環(huán)境災(zāi)害。目前，中國和南非在開發(fā)球床反應(yīng)堆方面走在世界前列，據(jù)悉，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院正運(yùn)行全球唯一的試驗(yàn)性球床反應(yīng)堆，并正為規(guī)劃中的核電站提供技術(shù)。

不過，專家認(rèn)為，該類反應(yīng)堆廢料處理技術(shù)復(fù)雜且成本昂貴，南非電力公司Eskom、美國Exelon及英國核能公司(BritishNuclearFuels)曾計(jì)劃在南非開普敦建造一座球床核電站，最后因環(huán)保問題而推遲。如果中國此次核電站成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，將是數(shù)十年來首個(gè)全新的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)。