五、望尘莫及的高温功能

50 年代初期，能源恐慌的情绪曾像大雾一般笼罩着英伦三岛。由于煤炭资源迅速消耗，石油资源短缺，迫使英国的工业领导人急于寻找一种新的动力资源。当时英国科学家根据他们在美国参加工作的经验，设计了一种石墨气冷反应堆。1956 年 12 月，英国第一座核电站投入运行。

这种第一代气冷堆采用石墨作慢化剂，二氧化碳作冷却剂，金属天然铀作核燃料，镁合金（镁铝铍）做结构材料。

由于气体的传热能力比水差，开始时，每立方米的堆芯发出的功率只有

0.55 兆瓦，二氧化碳的出口温度只有 345℃，电站的热效率为 19.1％。这种反应堆的尺寸比较大，堆芯直径为 15 米，高度为 10 米，而且要使二氧化碳循环流动，从堆芯带出能量，要花很大的功率。为了节省自身的消耗，后来把二氧化碳的工作压力由开始的 8 个大气压提高到 20 个大气压，这时堆芯的功率密度增加到 0.8 兆瓦/米 3，二氧化碳的出口温度也被提高到 400℃，电站的热效率也相应地上升到 30％左右。

然而，想再进一步提高技术性能，却遭到了无法逾越的困难。因为金属铀和镁合金不能承受更高的温度。由于投资大，成本高，因此不得不在 70 年代予以放弃。

英国设计的第二代气冷堆，称为改进型气冷堆。它采用二氧化铀代替金属铀。二氧化铀是一种类似陶瓷的材料，耐温性能大大高于金属铀。堆芯的结构材料也改用不锈钢。不锈钢与镁合金相比，会吸收掉一些中子，因此采用低浓铀代替原来的天然铀，来补偿中子的损失。这种新的组合允许堆芯出口温度提高到 670℃左右，可以产生高温高压的蒸汽，并与标准的汽轮发电机组相匹配，使电站的热效率提高到了 40％，单堆功率达到 60 万千瓦。改进型气冷堆的石墨砌体，包在一个混凝土的压力壳内，使二氧化碳的工作压力达到 40 大气压，堆芯功率密度增加到 2.8 兆瓦/米 3，比第一代气冷堆高

出了 2 倍以上。

气冷堆的另一个优点是气体冷却剂可以被加热到较高的温度。气体的出口温度增高，则电站的热效率也相应提高。在改进型气冷堆中，若进一步提高气体出口温度，二氧化碳就开始与不锈钢发生化学作用。因此要继续向高温挺进，必须换用更为稳定的冷却剂和堆芯材料。

有好几个国家正致力于高温气冷堆的研究工作。在这种反应堆中，他们选用不和任何元素发生化学反应的隋性气体——氦气作为冷却剂。对核燃料的组成也进行了根本性的改革，采用一种全陶瓷型的热解碳涂敷颗粒，作为燃料元件的基本单元。这种颗粒和小米差不多大小。它的核心是直径为 200～ 800 微米的二氧化铀和氧化钍陶瓷材料，外面涂敷几层热解碳和碳化硅。涂敷层的厚度约为 150～200 微米，它可以在 1000℃以上的高温下运行而保持其完整性。

将涂敷颗粒分散在石墨基体中，压制成燃料密实体，再将密实体装入由石墨制成的柱状（或球状）外壳之中，就成为燃料元件。

在英国和美国研制的高温气冷堆中，采用柱状的燃料元件。把几百个柱状元件布置在一起组成堆芯。燃料中的石墨既是慢化剂，又是结构材料。冷却用的氦气则通过燃料元件中的孔道，将热量带出堆芯。除了冷却剂和燃料元件不同以外，这种反应堆在形式上还保留着前两代气冷堆的基本特点。

德国研究的高温气冷堆则另辟蹊径，它采用球状的燃料元件。这种元件的外径大约为 6 厘米左右，与有些居民家里做饭用的煤球差不多大小。有趣的是，它们的燃料方式也和煤球炉十分相似。在这种反应堆中，新燃料球由堆顶装入，烧过的球由堆底的排球管排出。成千上万个燃料球，随机松散地堆积在圆柱形的石墨腔内，并达到临界体积，发生裂变反应。这种气冷堆又称作球床反应堆。当然，实际上球床反应堆和家用煤球炉还是有不少差别的。球床反应堆燃料时不需要空气。氦气作为冷却剂从反应堆的上部引入，通过球床吸收热量后，从底部引出，与煤球炉中气流的方向恰恰相反。

高温气冷堆出口的氦气，温度可高达 950～1100℃。用来发电的话，可使电站的热效率提高到 40％以上。除此以外，它还可以进行高温供热，用来冶炼钢铁，精炼石油，生产氨和甲醇，进行煤的气化，以及用热化学裂解水的方法生产干净的二次能源——氢。这种高温功能是任何其他类型反应堆所望尘莫及的。

在高温气冷堆的堆芯中，除了核燃料和很少吸收中子的石墨以外，没有其他结构材料，因此，中子利用的程度很高，可以在核燃料中以氧化钍的形式加入部分钍—232，让它吸收中子而转换成新的可裂变燃料铀—233，从而扩大核燃料的资源。

由于高温气冷堆采用了一系列独特的工艺，相应地提出下很多需要解决的技术问题。就拿氦气冷却剂来说吧，它在化学上是惰性的，在几千度高温下也不会和其他物质发生反应，因此能与各种材料配合使用。然而这一特点竟然也带来新的麻烦。在驱使氦气不断循环流过堆芯的氦气压缩机中，由于转动部件在充满氦气环境下工作，金属表面不能生成氧化膜保护层，因此转动很容易发生磨损。

高温石墨气冷堆目前还没能作为成熟的堆型，在核能发电中广泛采用。但随着技术水平的提高，它极有可能成为最为先进的动力反应堆之一。