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1．高溫氣冷堆的技術進展

      氣體冷卻反應堆與水冷卻反應堆一樣都是最早開發研究的堆型。初期由二氧化碳氣體冷卻的這種反應堆在發電的同時還生產裂變元素钚。但由于采用低富集鈾的水冷堆在技術與經濟上的優勢而被其超越，氣冷堆僅在英國得到商用發電應用。經過幾十年的研究發展，氣冷堆技術顯現出許多優越性。其中工作溫度高，熱能轉換效率高的堆型，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，以具有化學惰性和反應性惰性的氦氣為冷卻劑，以耐高溫石墨為慢化劑、反射層和結構材料。由于沒有金屬材料，冷卻劑出口溫度可以達到和超過950℃，發電效率能夠比水冷堆高出40％。除發電外，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80年代,德國科學家提出的高溫氣冷堆模塊化設計概念，排除了堆芯熔化和發生嚴重事故的可能，提高了反應堆的固有安全性。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。固有安全性設計省去了冗余的安全設置，省去了承壓安全殼，簡化了反應堆系統和結構。有更寬容的選址適用范圍，可以靠近城市或人口密集區域。另外，模塊化設計可以直接耦合氦氣透平機組，使能量轉換系統更簡單，發電效率更高。它的高度的反應堆安全性、顆粒燃料良好的防核擴散性能，以及高效率發電和制氫能力，在國際上受到廣泛重視，被列為第四代先進核能系統中優先發展的堆型之一。

      前些年，很多國家都積極地投入了開發研制工作。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模都采用環形堆芯設計，在原柱狀燃料堆實驗的基礎上，美國和俄國聯合設計了柱狀燃料模塊堆（GT-MHR），日本也設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）實驗的基礎上，中國和南非分別設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計體系，它們的主要區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。

      模塊化設計的單堆功率較小，提高功率改善反應堆經濟性是一個主要研究課題。為達到商用核電的經濟規模，美國設想4×600 MW組合的柱狀燃料堆，總電功率接近1200 MW，但卻認為缺乏經濟競爭力。球形燃料堆的功率規模更小，和柱狀燃料堆一樣設計上也存在一些技術問題，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上述規模，恐怕很難成為經濟上有競爭力的第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

      卵石床堆的堆芯結構與其它各種堆型截然不同，它是堆芯結構設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——構成堆芯的成功。這種構成堆芯方式不同于現有其它各種類型反應堆，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構復雜的燃料組件，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雜的堆芯結構內。這樣它們才能適應強輻照、高溫、高流速以及高熱負荷的環境，承受高燃耗下的腫脹、變形甚至破損的影響。而卵石床能夠適應這種嚴酷的環境，但構成方式卻異常簡單，就如同從卡車上把“卵石”卸到空腔一樣。這種堆芯結構雖然簡單，但不夠完善，球形燃料元件潛在的巨大優越性還沒有表現出來。

      對現有的高溫氣冷堆研究后發現，卵石床堆存在一些技術問題，參見文獻[1]。過分簡單的隨機堆積方式不能滿足反應堆多方面的技術要求，特別是在模塊化設計中，顯現出很多不足和缺憾：

•       反應堆運行過程中“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次穿過堆芯后達到目標燃耗。這樣做的結果，增加了裝卸機構的負擔和卵石的磨損，產生更多的石墨粉。雖然功率均勻性好一些，但還不能達到展平的效果。功率分布不均勻系數的設計值在4.5左右，與此相比，現代壓水堆的不均勻系數僅為2.6。這也是導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，而且很難監測可能產生的局部密實化（結晶化），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熱效率低的又一重要原因。

      由于這些問題的存在，反應堆的一些主要技術性能遠不如柱狀燃料高溫氣冷堆，詳細分析見文獻[2]。這主要是因為卵石以“無序”和“隨機”的狀態散裝在堆芯內造成的，對卵石床進行改進是必要的，可能的，也是容易實現的。

3．卵石床堆的改進

      雖然卵石床堆不能像壓水堆燃料元件那樣做成組件，再由組件構成堆芯，但每個燃料球是可以在堆芯內有固定位置，從而改善因散裝狀態造成的問題。首先，燃料球不應該被簡單地看成“卵石”，因為卵石一般是指大小不一形態各異的石塊，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，它是經過精密加工尺寸精確和形狀規則的球體，除隨機堆積外，它還可以呈現規則堆積。正四棱錐堆積就是規則堆積之一，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則堆積,見圖3。美國布魯克海文實驗室在上世紀60年代，曾提出利用這種規則堆積形式構成鈉冷快中子增殖堆堆芯，并進行了許多規則床的實驗研究[3]。有關規則床模塊堆的技術特性，詳見文獻[2]。

圖2 兩色球的隨機堆積                                 圖3 兩色球正四棱錐規則堆積

Fig.2 The random packing of two color spheres Fig.3 The ordered packing of two color spheres

      當采用有間隙正四棱錐規則堆積及一些特殊裝卸燃料措施以后，規則堆積完全能夠適應模塊式高溫氣冷堆堆芯結構要求。燃料球一次裝入和卸出，放棄連續換料，以批換料方式運行。構成的堆芯橫截面呈八角形，如果是有中心石墨柱的環形堆芯，就可以做成八角形環形堆芯，能滿足規則堆積要求，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，就會依次排列成規則堆積床。有關規則床模塊式高溫氣冷堆概念設計及燃料裝卸特點，詳見文獻[4,5]。

      規則床模塊式高溫氣冷堆堆芯是一種新穎的堆芯結構設計，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高，影響球床流動特性和產生石墨粉問題，以及球床局部密實化的問題，在規則床中都不存在。由于規則床內分布有直通孔道，在反應堆啟動階段，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則，能夠準確預測堆內溫度分布。

圖4 八角形環形堆芯八分之一堆積模型

Fig.4 One eighth simulator of octagonal core

4．規則床模塊堆的優越特性

      球形燃料元件從隨機堆積到有序排列的改變，對反應堆物理、熱工和結構設計，反應堆運行方式以及擴展反應堆應用領域都產生重要影響，現簡述如下：

4.1.提高反應堆性能和參數

      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定位置，能夠精細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。結晶化的密實體堆芯具有結構適應性和穩定性，允許冷卻劑以多流程或水平方向流經堆芯，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。提高了反應堆比功率、冷卻劑出口平均溫度和熱能轉換效率。單堆熱功率預計可從卵石床堆的400 MW,提高到800 MW以上,而熱能轉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計值47%,這將對模塊式高溫氣冷堆的經濟性產生重大影響。有可能利用3座或2座模塊堆就能達到商用核電的經濟規模。

4.2. 排除了卵石床堆設計不確定因素

      球形燃料元件不同于柱狀燃料元件和其它類型反應堆的燃料元件，它特有的優點是品種單一、便于批量生產、結構強度高、輻照穩定性好，便于裝卸、運輸和貯存等。規則床模塊堆除保留了這些優點外，還排除了卵石床堆設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堆壽期內需要更換，在結構設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據不足，更換周期也難以確定，甚至對這種堆型的開發產生疑慮。規則床設計則可以在這種強快中子輻照區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的流動規律，只能在冷態下做些實驗，還不能模擬熱態下石墨間摩擦系數增大后的情況。但是，球流規律卻需要輸入反應堆物理熱工設計計算程序，去預測堆內溫度和功率分布。如果預測不夠準確，還會發生過熱或過燃耗情況。反應堆長年運行情況是復雜的，不會一成不變地遵守球流對應燃耗分布的規律，例如，運行中出現設備故障，會改變球的流動與燃耗的對應關系，甚至有時可能需要卸出全部燃料，當再裝入堆芯時，就沒有燃耗分布規律了，會造成運行工況異常復雜。在規則床堆芯內，不存在這些問題。

4.3.堆體結構和運行方式簡化

      卵石床堆芯有上氣腔、上堆積錐及下出口錐等不規則形狀。規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，形狀規則。它的反應堆物理、熱工設計是簡單的。卵石床堆芯有又粗又長的燃料球出口管，當堆芯較小時，出口管也需要同樣尺寸，不僅占用更多燃料球，還使小堆的應用受到限制。規則床不需要堆底卸料，沒有出球管，簡化了復雜的堆底結構，也減小了壓力殼尺寸。

      規則床堆像通常反應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換料設備的需要。
  
4.4.燃料裝卸運輸和貯存發生重大變化 

      規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，可以在管道內自由輸送，容易設置防護和進行強放射性操作。當進行堆芯換料時，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，不需要龐大的操作空間和換料廠房。按照文獻[2]所述的裝卸料方法，預計停堆換料所需時間也會短于壓水堆的時間。同樣，它的轉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，因此它會給反應堆的設計和更廣泛的應用帶來革命性變化。

4.5.創建新的燃料元件循環利用系統

      燃料球便于裝卸和運輸，反應堆卸出的燃料球經過燃耗測量，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。在功率較大的規則床堆內，燃料球經過多次使用，幾乎都能達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濟性。在功率較小的規則床堆內，所需燃料富集度高而卸出的燃料還不能達到目標燃耗。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利用系統，完全不同于壓水堆燃料組件只能用于一個特定反應堆的特性。按照這一系統的需要生產新燃料球，最終都平均達到目標燃耗，這將帶來核燃料利用的一次重大革新。燃料球循環利用系統見圖5。在圖5所示的系統中，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，供應清潔的電能或熱能。燃料成本的顯著降低是中小規模動力堆應用的重要突破，在世界上將會有龐大的市場需求。

圖5 燃料球循環利用系統 
Fig.5 Fuel sphere cycle utilization system

4.6.規則床模塊堆可能應用于更廣泛領域

4.6.1.中小型反應堆市場和分布式能源

      由2～3個規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。但它更具競爭優勢的是中小功率規模，也可能進入壓水堆尚未涉及的領域。由于一些發展中國家電網規模較小，或一些基礎設施不夠完善的邊遠地區，都希望得到中小規模的核能源。有些工藝用熱或熱電聯供的用戶，也只能匹配中小規模。雖然規模小比投資相對較高，但對于有40或60年壽命核能源的經濟效益影響較小，而燃料成本的降低是更重要的經濟特性。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，中小規模核站及其能量轉換系統的技術和設備相對簡單容易，具有先行開發優勢，因此更具現實性和經濟性。

      即使在大型電力系統中，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點和需求，它能以熱電聯供的高效方式提供能量，能提高電網可靠性和減少輸電損失。因此，規則床模塊堆在電力系統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，成為一種經濟上可行的分布式核能源。

4.6.2．船舶推進動力
 
      船舶推進動力是中小型核能可能應用的又一重要領域，這一領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域提供部分能源，具有重大意義。可是，過去幾十年的研究和開發中，用于商船推進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。貨運船舶推進動力需要的熱功率大約在20 MW至200 MW，遠小于商用發電壓水堆的經濟規模，因此造價很高。另外，在船上安裝壓水堆，燃料更換極其困難，只好減少換料次數延長換料期，又導致燃料成本過高，這可能就是無法取得核動力船舶商業應用成功的主要原因。

      規則堆積形成的類似結晶的堆芯結構，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，具有適應船舶應用的穩定和抗震的特性。規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定性是有利的。它特有的固有安全性，排除了發生嚴重事故的可能，簡化了反應堆系統，便于安置在船上。模塊化的功率規模，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。這些嶄新特性展現出船舶應用以及直接替代燃油和減排溫室氣體做出貢獻的可能性，這方面還有許多有待研究的問題。有關規則床模塊堆船舶應用的研究，詳見另外的論文[6,7]。

4.6.3．增強自身防護能力的地下核電站

      核電發展面臨的主要問題是：提高安全性、經濟性、防擴散性和自身防護能力。前三個問題，正如前面的論述，規則床模塊堆都有明顯的改善。加強核電站整體設施的防護能力，一直是核電發展追求的目標。在不斷發生恐怖事件的威脅下，已經開始研究各種核電站地下設置的設想。高溫氣冷堆具有高度安全性，當氦氣冷卻系統出現嚴重泄漏事故時，允許向外界排放，不要求設置壓水堆那樣的具有較大包容空間的承壓安全殼。反應堆的燃料裝卸，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。規則床模塊堆的壓力容器和能量轉換容器在水平布置時，便于放置地下或水平山洞內，可以建造成具有整體防護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，例如氫的生產廠，核站在地下靠近，有一定安全保障。

      總之，反應堆新概念和新特性，帶來許多研究開發戰略定位的創新和思考。

5．規則床堆的不利因素和需要的研究開發工作

      卵石床堆采用燃料球連續換料，可以減少過剩反應性。因此不必添加可燃毒物，有利于中子經濟性。減少換料停堆時間，提高電站利用因子。規則床堆沒有連續換料特性，當添加可燃毒物克服過剩反應堆時，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，不僅反應性波動小，還能利用釷的增益延長運行時間。而規則床堆燃料的分區特性及燃料球的靈活性，有可能利用低富集度鈾實現釷的利用，這是有待進一步研究的問題。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濟性的影響與其他因素相比也很小。至于，不停堆換料對負荷因子的作用，遠遠小于規則床堆提高單堆功率的影響。總之，規則床模塊堆放棄連續換料，卻換來了上述諸多優點，獲得戰略上的巨大進步。

      規則床模塊堆表現出多方面優越的設計性能，很多性能超越了現有球形燃料模塊堆和柱狀燃料模塊堆。實現燃料球堆芯從“無序”到“有序”的轉變，僅僅是球體排列方式的轉變，是一種簡單的物理規律，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則排列在模擬實驗中得到證實，反應堆的其他研究開發工作，都是成熟的，沒有超出球形燃料堆和柱狀燃料堆的設計研究范圍。

      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備、工具和儀器，并且測量規則床性能和氣體流動阻力等參數。另一項研究課題是有關燃料球屏蔽轉運問題，它雖然比壓水堆乏燃料組件的轉運簡單，但還需要研制出一套安全可靠的措施和設備，以滿足燃料球循環利用的要求。在這些實驗和模塊式高溫氣冷堆設計技術的基礎上，可以直接設計和建造規則床模塊式高溫氣冷示范堆。完成具有戰略意義的新一代核能應用開發的重要一步。

6．結論

      球形燃料模塊式高溫氣冷堆堆芯的規則床設計，對反應堆的性能和應用產生重大影響。對于以發電和制氫為主要目標的模塊堆，能提高功率水平、氣體出口溫度和熱能轉換效率，從而在較大程度上改善經濟性。

      新奇的“結晶化”堆芯結構，球形元件特有的靈活性，大小堆燃料都能達到深燃耗，以及反應堆固有安全性等基本特性，使核能有可能擴展應用于發電以外的多種領域，特別是中小規模的應用領域，具有極其廣闊的市場需求，對于全球替換化石燃料，減少污染排放和應對氣候變化具有重要意義。

      這種具有基礎創新意義的研究和開發，其核心是對球形元件的堆積和裝卸，以及轉移和運輸技術的研究，是容易實現的。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用的局限性，具有重要戰略價值和應用前景。

參考文獻

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