放射性石墨粉尘——球床式高温气冷堆的固有不安全性简易版

In Order To Simplify The Management Process And Improve The Management Efficiency, It Is Necessary To Make Effective Use Of Production Resources And Carry Out Production Activities.

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20XX年XX月XX日

放射性石墨粉尘——球床式高温气冷堆的固有不安

全性简易版

放射性石墨粉尘——球床式高温气冷堆的固有不安全性简易版

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20xx年4月1日，互联网上登出了一篇题

为《再探球床式反应堆（PBR）安全性》的文

章。作者摩曼（Rainer Moormann）先生长期在

德国于利希研究中心工作，是一位具有丰富球

床高温气冷堆研发经验的专家。该文语出惊

人，开篇第一句话就概括说：“PBR的安全性能

并不象人们较早时想象的那样美好”。于利希

研究中心20xx年6月发表的一项新的关于20

多年前关闭的德国球床堆AVR运行经验的研究

指出，未来的PBR要增加安全措施，还需要投

入相当大的研发努力。该文的观点在核电界内

不胫而走，引起广泛的重视。有消息灵通人士透露，摩曼先生是个高温气冷堆的坚决反对派。笔者不知就里，不予置评，但坚信，赞成或反对的观点都只能建立在科学依据上。因此，本文想就其中涉及到而又普遍关注的PBR 的共性安全问题从技术上进行探讨。

1 高温气冷堆发展概况

从20世纪 60年代开始，英国、美国和德国开始研发高温气冷堆。 1964年，英国与欧共体合作建造的世界第一座高温气冷堆龙（Dragon，20MWth）堆建成临界。其后，德国建成了15MWe的高温气冷试验堆 AVR和300MWe 的核电原型堆 THTR-300。美国建成了40MWe的实验

高温气冷堆桃花谷（Peach-Bottom）堆和

330MWe的圣符伦堡（Fort. St. Vrain）核电原型堆。它们大多采用钍-铀燃料。日本于 1991年开始建造热功率为 30MWth的高温气冷工程试验堆HTTR，1998年建成临界。

上世纪80年代后期，高温气冷堆发展进入模块式阶段。有潜在市场应用前景的两种模块式高温气冷堆设计是：德国Siemens/Interatom 公司的球床模块式高温气冷堆HTR-Module和美国GA公司的柱状燃料元件模块式高温气冷堆MHTGR。前者单堆热功率200MWth，电功率

80MWe，其示范电厂拟采用2个模块；后者热功率为350MWth，采用蒸汽循环，示范电厂拟采用4个模块。1994年GA公司又提出更先进的热功率600MWth、采用氦气直接循环发电的GT-MHR 设计。

2 关于球床高温气冷堆安全性的再认识

2.1 流行的球床高温气冷堆安全设计

已经发表了大量的文章介绍球床高温气冷堆的安全特性。在球床高温气冷堆的各个发展阶段，燃料元件均采用包覆颗粒燃料球。典型的元件球直径为 60mm。其中直径为 50mm的中心石墨基体内均匀地弥散包覆燃料颗粒，元件外区为 5mm厚的不含燃料的石墨球壳。目前最新的包覆颗粒技术是全陶瓷型三重各向同性包覆（TRISO）。TRISO包覆颗粒的燃料芯核直径为 0.5mm，其外首先包覆一层疏松的多孔低密度热解碳，用来贮存裂变气体、缓冲温度应力、吸收芯粒的辐照肿胀，及防止裂变反冲核对外层造成损伤；第2层为高密度热解碳层，用来防止金属裂变产物对SiC层的腐蚀，及承

受部分内压；第3层SiC层是承受内压及阻挡裂变产物外逸的关键层；第4层高密度热解碳层，主要用来保护SiC层免受外来机械损伤。包覆后的颗粒直径约为 1.0mm。每个球形燃料元件中包含有约 12,000个包覆燃料颗粒。

包覆燃料颗粒的包覆层形成了阻止裂变产物释放的第一道屏障，其良好性能是球床式高温气冷堆设计成功的基本保障。试验结果表明，辐照后包覆燃料颗粒在1600℃以下的温度范围内，即使经过长时间加热，裂变产物的释放率仍非常低。在1700-2000℃时释放率才有明显增加，而碳化硅层的老化现象要到2100℃时才会发生。因此，通常将1600℃选为燃料球最高温度限值。设计计算得出的正常运行燃料球最高温度通常不超过1000℃，故认为有相当大

的设计安全裕量。

高温气冷堆普遍采用加压氦气做冷却剂。氦气是单相惰性气体，不存在与相变有关的传热极限。反应堆堆芯具有很大的热惯性，预计瞬态过程中不会出现局部温度大幅上升的情况。由于球床高温气冷堆具有低的功率密度、高的燃料和慢化剂负温度系数、大的热容量等特性，使得有可能设计出一种具有大的高径比的堆芯、功率适中、具有固有安全性的反应堆。它在任何瞬态和事故情况下，不需借助能动安全系统，就可保证燃料最高温度不会超过1600℃的限值，不会出现堆芯熔化、放射性大量释放的严重后果。

与偌大的堆芯相比，单个燃料球的确是太小了，正常运行时堆芯要装入几十万个燃料

球。上述所有的计算结果都是宏观地针对堆芯整体而言，无法考虑燃料球本身。前文已讲到，决定裂变产物释放与否，是单个球体的温度而不是它者。显然，整个安全性问题的焦点就在于：在整体正常的运行工况下，单个燃料球的最高温度究竟可能会有多高？它可不可能超过设计限值？

2.2 德国球床高温气冷堆的安全实践

如前文所述，德国在1967年建成其第一座高温气冷试验堆AVR(45MWth、15MWe)。该堆的氦

气（He）冷却剂出口温度高达990℃，原则上适用于高温裂解水的工艺热之需。1985年，利用钍作燃料的高温气冷堆THTR300

（750MWth、300MWe，出口氦气温度750℃）投