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氦制冷技術(shù)助力未來核能發(fā)展

文章出處：責任編輯：人氣：-發(fā)表時間：2025-10-20 14:46:13【大中小】

制冷技術(shù)助力未來核能發(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，使用氮氣作為冷卻劑。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了相對較高的水平。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，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，氮氣

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，球形元件是實心的。當球形部件堆積時，它們之間有一個空隙，可以通過汽體。由于每個天然材料球都有多層外殼，每個天然材料球都被高純度石墨包圍，因此此類燃料元件在堆中不會開裂。在氦引風(fēng)機的驅(qū)動下，高溫氣冷堆的冷卻劑為氮氣，它不斷地通過堆芯將裂變產(chǎn)生的熱量帶走，并進行閉環(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氣，當球形元件重合時，它們之間有一個間隙，可以持續(xù)高溫氮氣穿過。由氦氣引風(fēng)機驅(qū)動，氮氣通過堆芯不斷地將裂變亞熱帶出來，進行封閉循環(huán)。氮氣壓力一般為4MPa。目前，高溫氣冷堆主要有三種類型：第一種是采用蒸汽進行間接循環(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100萬千瓦的高溫氣冷堆，氮氣的總流量每小時達到4600噸。當這種閉式循環(huán)高溫氮氣通過燃氣蒸汽鍋爐管道時，燃氣蒸汽鍋爐管道中的流動性將二回路水轉(zhuǎn)化為熱蒸汽，并像壓水堆一樣驅(qū)動汽輪機。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)濟上沒有利潤。二是高溫氣冷堆，立即周而復(fù)始。這種堆產(chǎn)生850℃高溫氮氣，不經(jīng)過燃氣蒸汽鍋爐這一中間商，直接到氦汽輪發(fā)電機。氦汽輪發(fā)電機排出

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50%。氦汽輪發(fā)電機的余熱也可以用來回收和加熱，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，當反應(yīng)堆堆芯的高溫氮氣立即促進氦汽輪發(fā)電機的維護不會像沸水堆核電廠的立即循環(huán)系統(tǒng)那樣困難。第三種類型是特高溫氣冷反應(yīng)堆。這種堆的氮氣出口溫度高于950℃，可以煉鐵、生產(chǎn)和制造H2、煤炭的汽化和氣化。如果兩個氨蒸氣循環(huán)系統(tǒng)在氣輪機后生產(chǎn)和發(fā)電，熱利用率將達到60%。原材料是研發(fā)后高溫氣冷堆的兩個重要問題。目前使用的材料強度不能滿足850-1200℃范圍內(nèi)的要求。氦氣引風(fēng)機、氦汽輪發(fā)電機等大型機械設(shè)備也需要研發(fā)。

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