球床反应堆

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球床反应堆（Pebble bed reactor，缩写为PBR），亦称卵石床反应堆，是一种先进的核子反应堆设计，1966年于德国首次提出。球床反应堆是高温气冷堆之一（其它堆型还有英国的二氧化碳冷却石墨堆，美国和日本的棱柱氦冷石墨堆），它成为第四代反应堆技术的6个候选堆型之一。这种科技增加了反应堆的安全及效率。反应堆的核燃料密度比一般的反应堆低，就算是失去冷却，亦不会出现核芯熔解。反应堆使用惰性气体或接近惰性气体，如氦、氮、二氧化碳作为冷却剂，在高温下直接驱动涡轮机。由于毋须处理蒸气，系统的热能转换效率可以得到提高。

正在发展这种技术的国家包括有：美国、南非、荷兰等。中国的华能亦与清华大学核能与新能源技术研究院合作研究；目前已建有10兆瓦的试验反应堆，石岛湾核电站的首个示范堆200MW高温气冷堆 (HTR-PM，HTR-200)已经建成并商运投产。更大规模的HTR-PM600已经在江苏连云港徐圩核能供热发电站开建。

## 设计

球床反应堆把铀、钍或钚氧化物核燃料，包装在网球大小，以热分解石墨制成的球状容器内，称为卵石（Pebble）。球状燃料放置在罐状容器内，让氦、氮或二氧化碳等冷却剂在燃料球之间通过，将热能带走。冷却剂可以直接推动涡轮，亦可以经过热交换，以第二循环的气体或蒸气推动涡轮。

球床反应堆的最大优点是它本身比较安全。当球状燃料的温度增加时，铀238吸收中子的速率亦会增加，令可供引致核裂变的中子减少。故此这种反应堆可产生的能量有自然的限制。反应堆的容器被设计成在没有机械帮助下，散热会多于核燃料自然产生的热能。因此从理论上，球床反应堆不可能出现核芯熔解。而且由于核燃料是被包围在燃料球之内，若果一个燃料球爆裂，亦只会释放出较少的核燃料。

球床反应堆比一般轻水反应堆的运行温度较高，故此球床式能够以更少的核燃料，产生较多的动能。

球床反应堆可以无需使用控制杆，以温度控制反应堆的输出功率。这样反应堆的设计便毋需考虑控制杆插进深浅程度不同时对中子的影响；而且输出功率可以根据需求，透过控制冷却剂的流量或密度而快速增减。部分球床反应堆仍然有保留控制杆，以便维修时使用。

## 历史

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固定式的球床反应堆，燃料是可以不停机的更换，毋需好像一般反应堆般，每隔数年要把反应堆关闭数星期。反应堆的容器被设计成在没有机械帮助下更换核燃料。多个球状核燃料放在桶状容器内，核燃料球每年循环约十次。每次循环把一个或数个核燃料球取出检验，需要时更换成新的。旧核燃料球则成为核废料。

1947年，美国物理化学家法林顿·丹尼尔斯（Farrington Daniels）首次提出球床反应堆的概念，德国教授Rudolf Schulten于1950年代，继续将这个概念建构出来。1960年德国于北莱茵-威斯特法伦州的于利希（Jülich）研究所开始建设第一座，简称AVR反应堆的试验反应堆。热功率4.6万千瓦，电功率1.5万千瓦。AVR反应堆使用氦作为冷却剂。氦很少会吸收中子，亦很少活化而具有放射性，因此氦冷却剂的放射性并不强烈。AVR反应堆直接使用冷却剂推动发电。1967年运行，直至1988年12月1日，在苏联切尔诺贝尔核电厂泄漏辐射之后关闭。2011-2014年间，外部专家审查了该堆的运行情况，提出了严厉批评。biso燃料球，只有石墨包层，没加碳化硅外壳，裂变产物铯和锶跑出来，一回路β沾染极为严重。2014年，于里希研究所公开承认了该堆的失败。由于管路内部放射性污染，该堆的拆除工作极端困难。

球床堆的第二座，也是第一座商业示范堆，是西德于1970年开始建设的THTR-300（钍燃料球床高温气冷堆）。该堆热功率75万千瓦，电功率30万千瓦，于1983年建成，1985年底开始发电。正式发电6个月后，1986年5月4日，一个燃料球卡住了。处理卡住的燃料球时，导致大量放射性泄露。厂方称是切尔诺贝利事故（发生在8天前）飘过来的放射性，但被揭穿，造成信任危机。此后反应堆事故不断，不停有燃料球破损。后来因为发现热气导管上的一些栓梢坏了，于1988年秋停堆。到停堆为止，总共满功率运行了423天，记录的大小事故有80起。1989年9月，停堆一年之后，该堆彻底关闭。1991年10月，二回路的冷却塔（当时世界最高）被炸毁。1993年10月到1995年4月，燃料球卸除并转运到一处临时堆放地。剩余部分被“安全封闭”。由于残余的放射性，拆除工作在2027年之前不会开始。目前的日常维护和安保由政府出资。

1990年代之前，只有西德实际建设了反应堆研究这一堆型。美国虽有研究，但未建堆。

北京清华大学的球床反应堆HTR-10是是世界上第三座。技术原型是德国核能专家G. H. Lohnert提出的HTR-MODUL（模组式球床高温氦冷堆）。该堆型所有“固有安全性”也是Lohnert首先提出的。HTR-MODUL的设计开始于80年代中期，90年代初基本成型。经过了AVR和THTR的经验教训，HTR-MODUL进行了一些改进。具体包括：

- 缩小堆芯尺寸，降低堆芯功率密度，以利于实现非能动散热，并控制堆芯最高工作温度。
- 将控制棒设置在堆芯外围，而不是直接插入燃料球中(TFTR-300)，避免控制棒被卡住和扎坏燃料球。
- 降低燃料中铀的装量和浓缩度(TFTR-300)，一来可以降低功率密度，二来大大降低了进水后发生恶性核事故的危险，三是直接采用浓缩度较低的燃料铀可以避免核扩散。
- 采用钢制压力容器，（代替THTR-300的预应力混凝土），可以工厂预制，避免长时间现场施工。
- 对于燃料球破损放射性泄露问题，采用单球碳化硅陶瓷外壳解决。

HTR-10相当于HTR-MODUL的一个缩减版，规模远小于AVR。HTR-10于1995年开始建设，2000年首次临界，2003年1月达到全功率，于2004年9月建成实验堆内有接近27,000个燃料球，以氦作为冷却剂，直接推动发电。华能已宣布在山东省威海建造首座投产的球床反应堆石岛湾核电站功率为195兆瓦，是全世界第二座可以运行的球床堆，也是世界第一座商用规模的模组式球床堆。清华大学核研院已经完成高温高温气冷堆示范产生的高温气体分解蒸气或碘-硫制氢，制造氢气，已具备开展中试关键技术研究和示范的条件，可供的氢汽车与化工、炼钢等使用。

南非的Eskom公司是球床反应堆技术的领导者之一认为该国出口铀矿，但却进口石油为不合理现象。Eskom设计的球床反应堆主要供发电厂在用电高峯时快速增加发电量，亦可供海水淡化。2009年计划将建造110兆瓦的实验反应堆。不过由于民间环保团体的反对，加上金融海啸后政府财政困难为主因，建造计划停留于纸上。

## 流动设计

由于球床反应堆不一定需要笨重的压力外壳，亦没有巨大的蒸气冷却塔，因此体积及重量很低，有可能用来推动交通工具。荷兰Romawa设计了8兆瓦的球床反应堆，以氦气加热空气推动传统涡轮机。目的是用来替代轮船上原来使用的柴油发动机，又或者代替在偏远地区及后备使用的柴油或燃气发电机。这种设计更换燃料时可将整个反应堆搬走，在工厂内进行。美国亦有研究在潜艇上使用球床式反应堆。

## 安全措施

当球状燃料的温度增加，铀238吸收中子的速率亦会增加，令可供引致铀235核裂变的中子减少。这种现象称为多普勒扩展（Doppler Broadening）。在一般的传统反应堆，由于核燃料的密度较高，所以这种现象不具很大的作用。球床反应堆的燃料密度较低，故此这种反应堆可产生的能量，就算不经人手操作，亦有自然的限制。反应堆的容器被设计成在没有机械帮助下，散热会多于核燃料自然产生的热能。而且冷却剂是惰性气体，不会助燃或燃烧，亦不像普通的轻水反应堆可能出现蒸气爆炸。倘若因为机械故障，球床反应堆只会进入及维持怠态，容器及燃料球都不会受损。德国的 AVR 之前已曾经进行这种试验，把所有的控制杆抽出，停止冷却循环。之后拿出的燃料球并没有受损。

球床反应堆的温度被设计成高于石墨的退火温度，避免石墨因维格纳力累积而燃烧。

球床反应堆拥有多层的包围保护，防止辐射外泄：

- 最外围的是反应堆所在的建筑，用以抵挡飞机撞击或地震等自然灾害。
- 反应堆密封在墙壁厚两米以上的密室之内，只留门户出入，并有冷却管道供以水淹浸反应堆。
- 燃料球大小若网球，每个重约210克，内有9 克左右的铀。一个120兆瓦的反应堆大约需要380,000个燃料球。燃料球为60mm 的空心热分解石墨，石墨熔点为摄氏3000度，比反应堆的设计最高温度高两倍，而且非常坚硬。
- 石墨球内有一万五千枚“种子”，每粒种子的核心是直径0.5mm的裂变物料。种子外部为热分解石墨。
- 种子的热分解石墨之内为一层不透气，不燃烧，非常坚硬及强的硅化碳。
- 之内为高密度，不透气的热分解石墨。
- 之内为低密度，透气的热分解石墨，用来吸收裂变过程产生的放射性气体。（主要为氙气）
- 最核心为裂变物料的氧化或碳化合物

使用过的燃料球，一般可以无需再加密封处理即可运走。

## 发电效率

球床反应炉的能量转换效率很高。一般核反应炉，铀能量转换成电力的比例约32%至35%，但是球床反应炉可以达到40%至50%的效率。

如果想要提高发电功率，也不用建造更大的反应炉，或是提高运转温度。只要增加球床反应炉模组就可以。

## 反对意见

对球床反应堆设计，最常见的批评是，用来包装核燃料的石墨球，可能会着火燃烧。当石墨球燃烧时，核燃料可能会气化，随着火焰造成的烟雾而扩散，造成辐射污染。但是，用来包里核燃料的石墨球，本身可以耐受非常高的温度（摄氏3000度），与切尔诺贝利核电厂使用的石墨并不相同，不容易燃烧。为了避免这个问题，燃料球外表还包覆了一层坚实的碳化硅陶瓷外壳，可以进一步提高耐受温度。

核燃料球的制造过程如果有瑕疵，经发电时的高温，之后移动核燃料球时，可能造成核燃料球的外壳受损，使核燃料外露。假设空气在此时又进入反应炉，可能造成辐射外泄事件。1986年，德国的AVR反应堆曾发生核燃料球卡住、破损，造成辐射外泄，引起民众恐慌与反核团体抗议，德国政府因此下令关闭这座球燃料床设施。但是这次事故造成的辐射外泄，只限于单一燃料球，而且以气态方式外泄，实际情况并不严重。

## 外部链接

- IAEA HTGR Knowledge Base
- 央视-中国自主创新球床式核电厂迈向商转
- AVR, experimental high-temperature reactor : 21 years of successful operation for a future energy technology ISBN 3-18-401015-5
- High Temperature Reactor 2006 Conference, Sandton, South Africa
- MIT page on Modular Pebble Bed Reactor
- Research on innovative reactors in Jülich
- Differences in American and German TRISO-coated fuels