气冷堆冷却剂材料选取分析

王 晨 梁洋洋 郑 鑫 张慧敏 堵树宏

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

1 气冷堆的发展历程

气冷堆，即使用气体作为冷却剂的反应堆技术，最早应用于军用领域，如美国研发的军用移动气冷堆ML-01。之后，气冷堆逐步发展成为商用发电的动力反应堆。它大致分为4个阶段：早期气冷堆、改进型气冷堆（AGR）、高温气冷堆和模块式高温气冷堆[1]。

早期气冷堆的开发工作集中于低温反应堆系统，大多数采用二氧化碳冷却剂。之后人们意识到，如果冷却剂温度可以提升，就会大大提高热效率，这也就是改进型气冷堆（AGR）的设计方案。但是在高温条件下，二氧化碳会使钢材受到腐蚀，因此改进型气冷堆的发展无法持续下去。

此后氦气逐渐作为冷却剂出现在了气冷堆的设计中，这也拉开了高温气冷堆（HTGR）的发展序幕。氦气冷却剂最早出现在1944年的5 MWth实验堆研究项目，之后英国开发了20 MWth功率的原型堆DRAGON[2]。同时，美国和联邦德国也启动了其高温气冷堆的研发计划，分别为桃花谷实验堆项目和AVR实验堆项目。

1980年代，西门子旗下的国际原子能公司首先开发出了80MWe模块式气冷堆。气冷堆通过模块化设计理念提高了安全性与效率，该设计理念至今仍具有先进性和前瞻性。美国能源部在2010年左右提出的模块化小型堆概念，可视为该理念的扩展。此后一些小型堆方案基本采用该理念进行设计。德国、美国和中国等国都曾经开展了大量的研究，中国建设了世界第一个10 MWth模块式高温气冷堆的实验堆HTR-10，以及第一个模块式高温气冷堆的工业示范电站，即华能山东石岛湾20万千瓦级高温气冷堆核电站示范工程（HTR-PM）[3]。

2 冷却剂材料的性能分析

根据气冷堆发展历史，对气冷堆采用过的氮气、二氧化碳、氦气冷却剂主要特性参数进行对比（见表1，表中均为400 ℃，3 MPa条件下参数）。其中重点关注了其热力学性能参数，包括定压比热容定压比热容，热导率，还有中子学性能参数，热中子吸收截面，该文基于该表1对3种冷却剂材料进行性能分析。

2.1 氮气

氮气为无色无味气体，常温常压下具有良好的化学惰性。氮气与石墨慢化剂和反应堆结构材料具有较好的相容性。从表1中可知，氮气的的热中子吸收截面较大，约1.9 barns，因此将氮气作为冷却剂会影响反应堆的中子效率。并且氮气的热导率较低，仅为氦气的1/5，所以氮气的冷却能力也是制约其发展的因素之一。最后，N-14原子吸收1个中子后会触发（n，p）反应，生成C-14原子。C-14具有较长的半衰期，约为5 730年。C-14含量的升高可能会对生态系统造成威胁，因此C-14是核电厂环境影响评价中最受关注的核素之一，要尽量避免C-14的生成[4]。

2.2 二氧化碳

二氧化碳为无色无味的气体，常温下具有化学惰性和不可燃性。从表1可以看到，二氧化碳具有较低的中子吸收截面，但其热物性与氮气相比并没有明显的优势。二氧化碳曾作为早期石墨气冷堆和改进型气冷堆的冷却剂，但是这一选择更多是基于当时的国际局势而做出的妥协。二氧化碳在堆内高温、高压、高辐照条件下，会与石墨发生几种不同的反应。例如高温会引起石墨表面活性原子与二氧化碳发生反应，生成氧化物，之后氧化物分解，石墨会失去碳原子而气化。基于上述考虑，当时的二氧化碳气冷堆的运行温度被限制在350 ℃以内，热效率极低。

表1 材料相关特性参数

2.3 氦气

氦气无色、无味、不可燃、无刺激性，具有极高的化学稳定性，在高温高压高辐照环境中与堆芯材料具有良好的相容性，使冷却剂出口温度可达950 ℃甚至更高[1]，从而显著提高了气冷堆的热效率。并且从表中可见，氦气具有较小的中子吸收截面，仅为0.00747 barns，不会对堆芯内部裂变反应造成影响。另一方面，氦气具有数倍于二氧化碳和氮气的热导率，可以快速传递堆芯热量，因此几乎所有的气冷堆均使用氦气作为冷却剂。但是，由于氦气摩尔质量小，比体积大，因此具有较大的体积流量，导致相关设备和管道体积较大；并且氦气定压比热大，导致循环比功增大，压缩困难[5]。

3 冷却剂材料的选取

3.1 气冷堆对于冷却剂材料的要求

气冷堆的冷却剂工质选择需要依据其特点、运行条件和材料性能要求进行分析选取。气冷堆对于冷却剂的要求除了有高导热率、稳定性好以及中子吸收截面小等，还需要具备如下要求：1）冷却剂需要满足与石墨材料较好的相容性。2）冷却剂需要有较高的化学稳定性，同时不会生成新的具有危害的物质。3）冷却剂工质需要在低压条件下获得更高的温度，来保证整个反应堆较高的热效率水平。4）如果采用堆芯冷却剂直接透平发电，冷却剂就需要具备较大的压比和较小的循环比功，以降低压气机和透平的级数和功耗。

3.2 冷却剂材料的选取

综合气冷堆对冷却剂材料的要求和冷却剂性能分析，从燃料角度（慢化剂、中子谱）、安全角度（高安全性、低污染）、循环及经济性角度（效率高、布置紧凑、低冷却剂流量）对冷却剂工质进行选取，表2给出了气冷堆的冷却剂材料选择方案。

经过比选发现，常规的二氧化碳因其不稳定性，无法适用于当前的气冷堆发展需求。如采用常规氮气，其具有良好的可压缩性，可以解决透平和压气机研发问题。但是，常规氮气对于慢中子能谱的影响限制了其直接作为冷却剂的可行性，并且常规氮气所造成的C-14问题需要重点评估。氦气的性能确实可以满足气冷堆的大部分需求，如与石墨相容性好、较小的热中子吸收截面、导热率高以及高温稳定性好等。但是氦气的难压缩、压比小，造成的循环比功大的缺陷给透平和压气机研发带来了极大挑战。目前，透平及压气机的研发并未获得突破性进展并且难度较大，因此不确定性较高。同时，相较于氮气和二氧化碳，氦气造价高，且目前国内氦气资源基本依赖于进口，对气冷堆的经济性有一定的影响。

3.3 冷却剂材料的应用

冷却剂材料的应用会直接影响气冷堆的循环方式：1）氦气直接循环；从提高能源效率的角度，直接循环是效率最高的方式。冷却剂同时充当透平的做功工质，经过堆芯加热后直接冲击透平发电。经过分析，氦气可以达到冷却堆芯的目的，如果采用氦气直接循环方案，氦气压气机的级数将远大于氮气压气机，相应的设备体积也较大。这会限制气冷堆的应用场景，例如无法满足空间核电源对于尺寸的要求。另一方面，直接循环是未来的发展方向，也推动了冷却剂技术的后续发展，后文详细进行说明。2）蒸汽发生器间接循环；间接循环指的加入1台中间换热器，将反应堆部分和透平部分进行隔离，形成2个循环回路。透平回路选择水作为工质，优点是蒸汽发生器、汽轮机等设备均具有较高的技术成熟度和丰富的运行经验。但是采用该方案会导致循环效率降低。并且如果发生中间换热器传热管破裂，可能会引发反应堆回路进水事故，水蒸汽会和堆芯石墨发生反应，产生氢气、一氧化碳等可燃性气体[6]，影响反应堆安全。3）氮气透平间接循环；该方案可以同时发挥氦气和氮气的优点。反应堆回路冷却剂采用氦气，透平回路工质采用氮气，通过中间换热器实现热传递。使用氦气满足堆芯冷却要求的同时，利用氮气易压缩的特性降低透平及压气机研发难度。该方案的另一项优势就是如果发生中间换热器传热管破裂事故，进入反应堆回路的氮气可以依靠其较大的中子吸收截面有效地降低堆芯功率，保证堆芯安全。但是该方案同样也面临循环效率不足的问题。

根据上述分析，现阶段推荐采用氮气透平间接循环方案作为目前研发阶段的过渡和技术积累，并以冷却剂直接循环作为发展方向，继续加大研究力度。

4 冷却剂技术发展方向

4.1 氦气性能优化

在保证冷却剂高稳定性和中子效率的同时，考虑在氦气中加入其他惰性气体以改变其性能，降低透平设计难度。相关可利用的惰性气体的物性参数见表3。

表2 冷却剂材料选取表

从表3中可以看出，相较于氦气，其他惰性气体的定压比热和热导率随原子序数的增大而减小，热中子吸收截面则随原子序数的增大而逐渐增大。现有研究表明，在氦气中加入氪和氙可以使混合物的热导率略高于纯氦[7]。而对于氦氩和氦氖的二元混合物，热导率随着混合物分子量的增加而迅速降低，因此氩和氖无法满足改善工质性能的需求。目前，研究表明分子量为40（Xe摩尔百分比为28 %，He摩尔百分比为72 %）的氦氙混合物是非常有吸引力的选择，压气机负荷仅为纯氦的10%，传热系数与纯氦相同。因此，在氦气中加入少量氙气可以在保证工质热力学性能的前提下，有效调节工质的动力学性能。虽然氙中子吸收截面较大，但是少量氙的加入不会对混合工质吸收截面造成很大影响，因此氦氙混合物是作为冷却剂工质优化的重点方向。但是氙气的售价较贵，会对反应堆的经济性造成影响，并且氦氙工质仍处于研发阶段，技术成熟度是其主要问题。

表3 惰性气体物相关物性参数

4.2 超临界二氧化碳

近年来，国际核工业界提出了采用超临界二氧化碳流体直接冷却堆芯的布雷顿循环核动力系统。氦气循环可视为理想气体循环，除密度外，其余热物性参数不发生较大变化，而二氧化碳在不同状态下的密度、热导率、定压比热容均发生了较大变化[8]。虽然二氧化碳在稳定性和热传导性方面比氦气稍差，但是二氧化碳具有较为合适的临界压力（见表1，7.38 MPa），不需要很高的循环温度就可以达到较为满意的效率。同时，超临界二氧化碳具有很好的压缩性，因此采用超临界二氧化碳作为冷却剂可以减小设备尺寸并降低压缩功。超临界二氧化碳概念堆设计方案的循环效率为40%～50%[9]。但目前超临界二氧化碳的研究均基本集中在快中子反应堆，并且由于二氧化碳在高温条件下与不锈钢材料化学不相容，目前超临界二氧化碳循环最高温度被限制在650 ℃。

4.3 重氮（N-15）冷却剂

综上所述，氮气不能作为合适的冷却剂主要原因在于其较差的中子学特性和生成C-14的化学特性。为了避免生成C-14，较为有效的办法是采用N-15富集技术，采用重氮（N-15）作为冷却剂工质。N-15在自然界中存在的比例为0.36%，其热中子吸收截面仅为0.000024 barns，并且不会因辐照而生成C-14。重氮与常规氮气性能相似，适用于当前市面上各类透平和压气机。因此采用重氮也可以直接跨越目前透平研发所遇到的难题。同时，如果采用重氮作为冷却剂，事故条件下冷却剂纯净度降低会导致反应性降低，保证反应堆安全。目前，N-15仍主要应用于实验室研究，其富集技术和成品价格目前是限制其广泛使用的主要因素。另外，还需要考虑的是在反应堆运行、换料和维修阶段，N-15的泄露和补充。当前在核能领域，富集的N-15主要应用于氮化物燃料的生产，并且为了满足循环使用的要求，也正在研发N-15的回收技术。而选用大量的富集N-15作为冷却剂世界上尚未开展相关研究。

5 结语

该文对气冷堆发展、特点及冷却剂工质性能进行了调研分析。从发展上来看，常规二氧化碳因其稳定性不足已无法适应气冷堆的发展。常规氮气则受限于其中子特性和放射性产物上的缺陷。氦气在性能上可以满足冷却剂要求，但是其仍具有难压缩的缺点。冷却剂材料的选择也关系到气冷堆循环方式的选取，如采用氦气直接透平循环，氦气因压比较小，透平和压气机的研发面临许多挑战。而采用蒸汽发生器间接循环，带来的安全问题需要进一步的研究。因此推荐采用氮气透平间接循环，同时发挥氦气和氮气在特性上的优点，以此作为研发阶段的过渡和技术积累。同时，为了解决当前冷却剂材料遇到的相关问题，国际上也提出了许多的解决方案，如采用氦氙混合工质或超临界二氧化碳、重氮等新型冷却剂材料。但是该技术仍处于研发阶段，距离实际应用还有一段距离。