反應(yīng)堆冷卻劑

反應(yīng)堆冷卻劑冷卻核反應(yīng)堆堆芯并將堆芯所釋放的熱量載帶出核反應(yīng)堆的工作介質(zhì)01介紹常見(jiàn)冷卻劑及其特性特點(diǎn)目錄0302基本信息核反應(yīng)堆的冷卻劑是指用來(lái)冷卻核反應(yīng)堆堆芯，并將堆芯所釋放的熱量載帶出核反應(yīng)堆的工作介質(zhì)，也稱載熱劑。除了由核燃料的核裂變產(chǎn)生熱量以外，其他部件也因吸收γ射線和慢化中子而發(fā)熱，所以對(duì)相關(guān)組件和堆內(nèi)構(gòu)件以及反射層、屏蔽層等也需要適當(dāng)冷卻。但堆內(nèi)約90%的發(fā)熱來(lái)自于燃料組件，冷卻的重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是燃料棒。介紹介紹核反應(yīng)堆的冷卻劑是指用來(lái)冷卻核反應(yīng)堆堆芯，并將堆芯所釋放的熱量載帶出核反應(yīng)堆的工作介質(zhì)，也稱載熱劑。除了由核燃料的核裂變產(chǎn)生熱量以外，其他部件也因吸收γ射線和慢化中子而發(fā)熱，所以對(duì)相關(guān)組件和堆內(nèi)構(gòu)件以及反射層、屏蔽層等也需要適當(dāng)冷卻。但堆內(nèi)約90%的發(fā)熱來(lái)自于燃料組件，冷卻的重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是燃料棒。核反應(yīng)堆的冷卻的特點(diǎn)是：第一，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下，核反應(yīng)堆是一種控制發(fā)熱型裝置，因?yàn)楹肆炎儧](méi)有溫度上限，為維持一定的溫度，必須采取可控冷卻措施;在停堆過(guò)程中也需要排除剩余衰變熱量。第二，在異常和事故工況下，如出現(xiàn)燃料棒熱點(diǎn)、材料熔化時(shí)都應(yīng)確保反應(yīng)堆的冷卻條件；在喪失冷卻劑事故中，需啟動(dòng)緊急堆芯冷卻系統(tǒng)。因此，冷卻劑的作用是非常重要的，它的功能是不可代替的。為了在盡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(dāng)熱物理性質(zhì)，如比熱容和熱導(dǎo)率大、熔點(diǎn)低、沸點(diǎn)高的物質(zhì)。冷卻劑的材料總是流體，但取決于反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)，可以采用液態(tài)，也可以采用氣態(tài)。目前大多數(shù)熱中子堆都使用輕水或重水作為冷卻劑材料；快中子堆采用液態(tài)金屬鈉，而氣冷堆則用CO2或氦作為冷卻劑材料。

特點(diǎn)特點(diǎn)冷卻劑的特點(diǎn)是，具有良好的傳熱性和流動(dòng)性，高沸點(diǎn)、低熔點(diǎn)、泵送功率低，對(duì)熱和輻射有良好的穩(wěn)定性，在反應(yīng)堆系統(tǒng)下不產(chǎn)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(yōu)點(diǎn)是選擇工作壓強(qiáng)和溫度時(shí)，可以完全獨(dú)立地進(jìn)行，因而能實(shí)現(xiàn)高溫低壓運(yùn)行；缺點(diǎn)是泵送功率大。液體冷卻劑有輕水、重水和液態(tài)金屬。后者具有熱導(dǎo)率高、蒸氣壓低的特點(diǎn)?？煸鲋扯殉Ｓ靡簯B(tài)鈉作冷卻劑。液態(tài)鈉熔點(diǎn)較低（98℃），熱導(dǎo)率高，但有一定腐蝕性，能使回路管道因質(zhì)量遷移而堵塞。此外，鈉吸收中子后會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)放射性24Na，而且鈉很活潑，遇水即爆炸，故在設(shè)計(jì)熱交換器時(shí)要特別注意。常見(jiàn)冷卻劑及其特性二氧化碳和氦液態(tài)金屬鈉輕水及其蒸氣常見(jiàn)冷卻劑及其特性二氧化碳和氦二氧化碳和氦都是氣冷堆的冷卻劑。前者被廣泛使用于石墨氣冷堆(Magnox型)和改進(jìn)型氣冷堆（AGR），它的優(yōu)點(diǎn)是可以大量廉價(jià)制取，易于操作和處理；100℃以下化學(xué)惰性、冷卻載熱能力和輻射穩(wěn)定性好；感生放射性小。但在更高的溫度下，CO2的化學(xué)性質(zhì)活潑，與慢化劑石墨、鋼材結(jié)構(gòu)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(lái)取代。至今，反應(yīng)堆出口溫度在750~1000℃范圍的高溫氣冷堆都用氦作為冷卻劑。氦具有比熱容和熱導(dǎo)率高、中子吸收截面小、化學(xué)和輻射穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但這是一種稀有氣體。生產(chǎn)工藝復(fù)雜，制造費(fèi)用頗高。(1)基本性質(zhì)CO2是無(wú)色、有刺激性臭味的氣體，可溶于水，其水溶性呈酸性。常溫下有化學(xué)惰性和不燃性。在不同的溫度和壓力下可呈氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。CO2氣體的密度約為空氣的1.5倍；約比氦氣高11倍。。在一定的壓力下，三種物性均隨溫度的提高而增大，一般在250℃以下，壓力越高，物性越大；但在250℃以上，壓力的影響就不明顯了。溫度越高，壓力的效應(yīng)幾乎可以忽略。氦無(wú)色、無(wú)味、無(wú)臭、無(wú)刺激性、不燃燒，質(zhì)量?jī)H高于氫氣。在所有元素中，氦的沸點(diǎn)最低，它的熱物性都比二氧化碳的高出好幾倍，尤其是它的熱導(dǎo)率更是作為載熱劑的最好條件。壓力對(duì)氦私度的效應(yīng)很小，在300~750℃溫度范圍，氦的cp隨溫度升高而減小，最大不過(guò)0.07%；壓力從6.9MPa提高到13.8MPa，氦的cp增大也小于0.輕水及其蒸氣在核反應(yīng)堆中，輕水和重水都是重要的冷卻劑，但當(dāng)今大多數(shù)商用核動(dòng)力反應(yīng)堆普遍使用輕水作為冷卻劑，主要基于它的可用性和低成本。水的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可兼為慢化劑，如壓水堆和沸水堆(水及其蒸汽)；還可作為屏蔽材料，如游泳池反應(yīng)堆。但由于水所特有的物理化學(xué)特性，會(huì)在反應(yīng)堆內(nèi)使用時(shí)產(chǎn)生諸多的如雜質(zhì)溶解、材料腐蝕、化學(xué)作用以及輻射分解等問(wèn)題，對(duì)反應(yīng)堆正常運(yùn)行帶來(lái)不利的后果。(1)基本物化性質(zhì)輕水的載度隨溫度上升迅速降低；比定壓熱容則隨溫度緩慢增大，約在3000℃以上急劇上升;輕水的熱導(dǎo)率在150℃時(shí)有一個(gè)極大值，在300℃附近又降至0.5W/(m℃)，但仍比氦大一倍左右。(2)堆內(nèi)輻照效應(yīng)輕水冷卻劑在堆內(nèi)受中子照射以后產(chǎn)生兩種主要效應(yīng)，即感生放射性和輻射分解。前一種效應(yīng)是由冷卻劑雜質(zhì)、包殼和結(jié)構(gòu)材料的組成元素及其腐蝕產(chǎn)物等被中子活化所造成的，在進(jìn)人冷卻劑后沉積于冷卻系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)的管道內(nèi)，提高了電廠設(shè)備和環(huán)境的放射性本底，給設(shè)備維修帶來(lái)困難，使操作人員受到不必要的輻射傷害。后一種效應(yīng)是冷卻劑水在堆內(nèi)受高能輻射的作用產(chǎn)生氧化性產(chǎn)物O、OH、H2O、H2O2、和還原性產(chǎn)物H、H2等，它們的產(chǎn)額與電離能力、劑量率、輻射時(shí)間和溫度、pH及溶液成分有關(guān)。液態(tài)金屬鈉低熔點(diǎn)堿金屬(如Na、K、Li)和低熔點(diǎn)合金(如Pb-Bi等)因具有熔點(diǎn)低、沸點(diǎn)高、比熱容大和導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，曾被作為快中子堆冷卻劑的候選材料。但通過(guò)多年的試驗(yàn)研究表明，只有液態(tài)金屬鈉在世界各國(guó)擁有的快中子堆上曾得到過(guò)或仍在得到實(shí)用。由于快中子堆堆芯功率密度比壓水堆的高出4倍，使用液態(tài)鈉可獲得很大的對(duì)流傳熱系數(shù)，達(dá)到可觀的熱流密度；其次，因鈉的相對(duì)密度小于1，使冷卻劑消耗的卿送功率只占輸出功率的1.5%，與氦冷卻劑相比較(7%)就顯示出了它的優(yōu)越性；第三，鈉與燃料包殼材料—不銹鋼的相容性很好。雖然已發(fā)現(xiàn)有質(zhì)量遷移問(wèn)題，但對(duì)包殼耗蝕量?jī)H為數(shù)十微米。如果對(duì)鈉中含氧量控制在小于5μg/g，就可以把腐蝕減到最低程度。此外，鈉有化學(xué)活潑性，與氧、水和鹵素起劇烈反應(yīng);一回路鈉吸收中子生成34Na和22Na，釋放強(qiáng)γ射線以及結(jié)構(gòu)材料受熱沖擊等缺點(diǎn)。(1)鈉的基本性質(zhì)鈉的熔點(diǎn)與沸點(diǎn)相差785.2℃，足以使冷卻系統(tǒng)在常溫下工作。鈉有優(yōu)越的熱物性，是良好的傳熱介質(zhì)。此外，它還具有高的電導(dǎo)率(，可以采用電磁泵輸送，而且其密度小