氦制冷技术助力未来核能发展

文章出处：责任编辑：人气：-发表时间：2025-10-20 14:46:13【大中小】

制冷技术助力未来核能发展

高纯氦气

氦制冷核反应堆是第三代风冷堆，采用高纯度石墨作为减速剂，使用氮气作为冷却剂。它是第四代核技术系统软件——高温气冷堆。这里的持续高温意味着气体温度超过了相对较高的水平。毕竟，在这种核反应堆中，使用结构陶瓷和耐高温的高纯度石墨建筑材料，并使用惰性氮作为冷却液，从而将气体环境温度提高到750℃以上。同时，由于建筑材料中的高纯度石墨消化和吸收的氢核较少，因此增加了燃烧消耗。此外，由于颗粒能量表面积大，氮气

氦制冷原子炉的燃料应采用溶胶凝胶法，将二氧化铀或碳化铀制成直径小于1mm的小球，并用热裂解碳涂层和氮化硅涂层包裹。每个球通常涂有三层，最里面的涂层多孔结构可以缓存由于加热和辐射膨胀引起的吸水膨胀；最外层的涂层密度相对较高，可以防止裂变气体逸出。这两层之间有氮化硅镀层，阻挡了固体裂变产品的外逸。将这种涂层生物颗粒燃料与鳞片石墨均匀混合后，在外面包裹一些鳞片石墨，可以制成棱柱形、圆柱形或珠形燃料元件。柱状元件之间有汽体流下的安全通道，球形元件是实心的。当球形部件堆积时，它们之间有一个空隙，可以通过汽体。由于每个天然材料球都有多层外壳，每个天然材料球都被高纯度石墨包围，因此此类燃料元件在堆中不会开裂。在氦引风机的驱动下，高温气冷堆的冷却剂为氮气，它不断地通过堆芯将裂变产生的热量带走，并进行闭环循环。堆芯放置在预制混凝土高压容器中，内衬高纯度石墨。
氦制冷原子炉的冷却液是氮气，当球形元件重合时，它们之间有一个间隙，可以持续高温氮气穿过。由氦气引风机驱动，氮气通过堆芯不断地将裂变亚热带出来，进行封闭循环。氮气压力一般为4MPa。目前，高温气冷堆主要有三种类型：第一种是采用蒸汽进行间接循环的高温气冷堆。核反应堆出口温度约为750℃，氮压为4MPa。假设有一座100万千瓦的高温气冷堆，氮气的总流量每小时达到4600吨。当这种闭式循环高温氮气通过燃气蒸汽锅炉管道时，燃气蒸汽锅炉管道中的流动性将二回路水转化为热蒸汽，并像压水堆一样驱动汽轮机。这种间接高温气冷堆的基础设施投资可能比相同体积的压水堆核电站高出40%，多浓铀必须用90%聚集，经济上没有利润。二是高温气冷堆，立即周而复始。这种堆产生850℃高温氮气，不经过燃气蒸汽锅炉这一中间商，直接到氦汽轮发电机。氦汽轮发电机排出

余热回收可以满足氨蒸气的重复利用。这种双向循环系统用于生产和发电，热利用率可达50%。氦汽轮发电机的余热也可以用来回收和加热，使其成为核火力发电。由于高温气冷堆沉淀的放射性物质非常少，当反应堆堆芯的高温氮气立即促进氦汽轮发电机的维护不会像沸水堆核电厂的立即循环系统那样困难。第三种类型是特高温气冷反应堆。这种堆的氮气出口温度高于950℃，可以炼铁、生产和制造H2、煤炭的汽化和气化。如果两个氨蒸气循环系统在气轮机后生产和发电，热利用率将达到60%。原材料是研发后高温气冷堆的两个重要问题。目前使用的材料强度不能满足850-1200℃范围内的要求。氦气引风机、氦汽轮发电机等大型机械设备也需要研发。

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