反應堆冷卻劑
| 反應堆冷卻劑 |
核反應堆的冷卻劑是指用來冷卻核反應堆堆芯，並將堆芯所釋放的熱量載帶出核反應堆的工作介質，也稱載熱劑。除了由核燃料的核裂變產生熱量以外，其他部件也因吸收γ射線和慢化中子而發熱，所以對相關組件和堆內構件以及反射層、屏蔽層等也需要適當冷卻。但堆內約90%的發熱來自於燃料組件，冷卻的重點應當是燃料棒。
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簡介
核反應堆的冷卻劑是指用來冷卻核反應堆堆芯，並將堆芯所釋放的熱量載帶出核反應堆的工作介質，也稱載熱劑。除了由核燃料的核裂變產生熱量以外，其他部件也因吸收γ射線和慢化中子而發熱，所以對相關組件和堆內構件以及反射層、屏蔽層等也需要適當冷卻。但堆內約90%的發熱來自於燃料組件，冷卻的重點應當是燃料棒。核反應堆的冷卻的特點是：第一，在穩態運行工況下，核反應堆是一種控制發熱型裝置，因為核裂變沒有溫度上限，為維持一定的溫度，必須採取可控冷卻措施;在停堆過程中也需要排除剩餘衰變熱量。第二，在異常和事故工況下，如出現燃料棒熱點、材料熔化時都應確保反應堆的冷卻條件；在喪失冷卻劑事故中，需啟動緊急堆芯冷卻系統。因此，冷卻劑的作用是非常重要的，它的功能是不可代替的。為了在儘可能小的傳熱面積條件下從堆芯載帶出更多的熱量，得到更高的冷卻效率，冷卻劑可選用更具有適當熱物理性質，如比熱容和熱導率大、熔點低、沸點高的物質。冷卻劑的材料總是流體，但取決於反應堆的設計，可以採用液態，也可以採用氣態。目前大多數熱中子堆都使用輕水或重水作為冷卻劑材料；快中子堆採用液態金屬鈉，而氣冷堆則用CO2或氦作為冷卻劑材料。
評價
冷卻劑的特點是，具有良好的傳熱性和流動性，高沸點、低熔點、泵送功率低，對熱和輻射有良好的穩定性，在反應堆系統下不產生腐蝕，感生放射性低，中子俘獲截面小。常用的冷卻劑分氣體和液體兩類。氣體冷卻劑有二氧化碳和氦氣。其優點是選擇工作壓強和溫度時，可以完全獨立地進行，因而能實現高溫低壓運行；缺點是泵送功率大。液體冷卻劑有輕水、重水和液態金屬。後者具有熱導率高、蒸氣壓低的特點。快增殖堆常用液態鈉作冷卻劑。液態鈉熔點較低（98℃），熱導率高，但有一定腐蝕性，能使迴路管道因質量遷移而堵塞。此外，鈉吸收中子後會產生強放射性24Na，而且鈉很活潑，遇水即爆炸，故在設計熱交換器時要特別注意。二氧化碳和氦都是氣冷堆的冷卻劑。前者被廣泛使用於石墨氣冷堆(Magnox型)和改進型氣冷堆（AGR），它的優點是可以大量廉價製取，易於操作和處理；100℃以下化學惰性、冷卻載熱能力和輻射穩定性好；感生放射性小。但在更高的溫度下，CO2的化學性質活潑，與慢化劑石墨、鋼材結構的相容性成為制約的因素。因此在更高的使用溫度下，必須用氦來取代。至今，反應堆出口溫度在750~1000℃範圍的高溫氣冷堆都用氦作為冷卻劑。氦具有比熱容和熱導率高、中子吸收截面小、化學和輻射穩定性好等優點，但這是一種稀有氣體。生產工藝複雜，製造費用頗高。[1]