什么是石墨水冷堆？
2022-07-20
石墨水冷反应堆是一种以石墨作为慢化剂、水作为冷却剂的热中子反应堆。在工业发展的早期阶段，石墨水冷反应堆主要用于生产武器级钚和氖气。这类反应堆通常采用天然铀金属组件作为燃料。反应堆中天然铀中的铀-235吸收中子，引发核裂变反应，释放出中子与能量。其中一部分中子被用来维持链式核裂变反应的持续进行，而另一部分则被天然铀中的铀-238吸收，进而转化为钚-239及其他钚同位素。此外，核纯石墨砌体被用作结构型石墨水冷堆的慢化剂和反射层。
石墨砌体中设有两到三个水平通道（水平堆叠）或垂直通道（垂直堆叠）。可替换的石墨套筒被插入这些通道内，再将铝合金工艺管道嵌入套筒中，以隔离冷却水与石墨慢化剂。工艺管道的内壁还设计有肋条，用以保持管道与燃料元件之间的间隙。值得注意的是，石墨砌体各部位的温度并不均匀。通过调整石墨套筒与工艺管道之间的间隙，以及控制工艺管道内的水流速度，可以部分调节砌体的温度分布，使其更加均衡。通常，燃料元件由直径约35至38毫米、长度约100至200毫米的棒状材料制成。此外，为提高比功率并使元件的径向燃耗分布更为均匀，还采用了管状燃料元件。在早期生产反应堆的研发阶段，曾采用开放式冷却模式：尽管河水会流经反应堆堆芯，但高温热水随后直接排入河流。然而，由于这种模式存在水资源消耗大、排水中放射性水平高以及突出的环保问题等诸多弊端，目前已全面改用闭式冷却方式——即冷却水从堆芯流出后，先将热量传递给反应堆，再通过热交换器将热量排放至外部循环回路，最后经主泵重新送回反应堆堆芯，从而形成一个闭环式的主冷却回路或主回路。
处理一回路水热能的途径有两种：一是通过热交换器，将一回路的热量传递至二回路水中，再由冷却塔或江河水对其进行冷却，最终将热量排放到环境中；二是利用热交换器将热量输送至余热利用系统，为外界提供供暖或作为热源发电。天然铀冷堆的一个重要特点在于其固有的反应性储备较小。相比之下，早期石墨水冷堆的反应性会随温度升高而增加，导致堆功率也随之上升（即所谓的“正温度效应”），最终使反应性持续增强，直至反应堆被迫插入外部中子吸收体（如控制棒）为止，否则可能引发堆芯熔毁等严重事故。1986年切尔诺贝利核事故后，正温度效应问题更是引起了各界的高度关注。在反应堆的物理设计上，人们通过引入负温度效应，有效确保了反应堆运行的固有自稳性。
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