流化床应用于核工业？——中国第四代核电技术领跑世界！

前言

　　不久前，美国HBO电视网将33年前的那场灾难拍成迷你剧《切尔诺贝利》而火爆网络，豆瓣评分高达9.7分，算是拯救了HBO因《权游》烂尾带来的负面口碑。

　　前苏联的切尔诺贝利核电站，曾被视为世界上最安全可靠的核电站。但1986年的一声巨响，彻底击溃了这个神话。巨大灾难重创人类，甚至还促进了苏联的解体，重塑了世界格局。而即便原子能带给我们如此巨大的灾难，人类仍旧没有停止利用核能的步伐。

　　由清华大学核研院研发的第四代高温气冷堆技术，是中国又一项领跑世界，具有完全自主知识产权的先进核电技术。就在今年的７月17日，内蒙古包头市，高温气冷堆核燃料元件生产线第20万个球形燃料元件成功下线，标志着全球首条工业规模高温气冷堆核燃料元件生产线建成达产，实乃真正的大国重器！

球床式高温气冷堆与包覆颗粒燃料元件

　　传统反应堆一般为压水堆，即采用循环冷却水作为冷却剂，而高温气冷堆采用了氦气（He）作为冷却剂。其中一项核心技术就是将最核心的核燃料处理成球型包覆颗粒，在这些小颗粒外面再穿上好几层衣服，其中最核心的一层衣服是碳化硅（SiC），这种高硬度的致密陶瓷可以耐2000多度的高温，因而具有更高的固有安全性。

　　左下图这种黑色的小圆柱体就是压水堆的核燃料芯块，它们一节一节地被装入燃料棒中。而高温气冷堆的核燃料则为右下图这样子：一个个如网球般大小的球型颗粒。

　　这些球形燃料元件看上去傻大黑粗的样子，但其实它们很精密，大球里面还有许多个小球，如同火龙果里还有很多籽粒，小球里面也一样包含了好多层，最里面的那层是二氧化铀（UO2）核芯。

　　将上万个球形燃料元件放在反应堆容器中，当反应堆运行时，氦气将核反应产生的热量带出堆芯，经过热气导管进入到蒸汽发生器中，将热量传递给二次侧的水，产生过热蒸汽，推动汽轮发电机发电。

　　如果高温气冷堆因为故障失去冷却，堆内温度将升高，而高到一定程度时，因为铀235吸收中子能力减弱，同时铀238又吸引了过多中子，没有了足够的中子，裂变就维持不下去。而堆内的球形燃料元件即使经受1650℃的高温时也不会破损。因而能够避免堆芯熔毁、燃料元件烧毁等事故的发生。

　　那么这种精密的燃料球是如何制备的呢？，这就要讲到我们化工中的流化床-化学气相沉积（FB-CVD）技术了。

流化床-化学气相沉积技术制备包覆燃料颗粒

　　制作包覆颗粒首先要把核燃料制成直径约0.5毫米的核芯，再在其外面包上四层包覆层，每层只有几十微米厚，而且要严格控制每层的厚度、密度等，最后制成的球形颗粒直径只有0.9毫米。8000个这样的小颗粒均匀弥散在直径5厘米的石墨基体里，再在其外部压制上一层厚5毫米的石墨球壳，才能制成直径6厘米的球形燃料元件。

　　在流化床中，基体颗粒在流化气流的作用下处于流态化，然后将气体反应物通过载带的形式进入流化床，需要根据工艺条件依次通入和切换不同的反应气体，在高温区进行化学气相沉积，从而在燃料核芯外依次沉积疏松热解炭层、内致密热解炭层、碳化硅层和外致密热解炭层，其工艺流程图如下图所示。我们可以看到，流化床-化学气相沉积是一个妥妥的典型“三传一反”（质量-动量-能量传递+化学反应）耦合过程，目前通过实验和数值建模已进行了大量研究。

　　目前这种流化床化学气相沉积工艺制备包覆颗粒采用的均是批次（batch）方式，且每一个批次只能生产约56kg的包覆颗粒，产量低且无法连续化生产，今后，如何将批次生产优化为连续性生产，真正实现流化床在核燃料制备中的高效应用，还需要科研人员对这种特殊流化床反应器进行设计与“放大”。

流化床核反应堆？

　　除了应用流化床来生产核燃料，核化工专家们还想到直接把流化床用作核反应堆！在我们目前使用的核反应堆中，核燃料都是作为一个固定组件被安装在反应堆之中，冷却剂作为流体流过反应堆带走裂变热量，整个反应堆相当于化工过程中的“固定床”反应器，只是流体相和固体相之间不存在物质交换（化学反应），只存在热量交换。

　　但如果我们把这种“固定床”改成“流化床”呢？我们都学过流化床反应器适用于热效应很大的反应，它的传热速率快，床层温度均匀，所以如果我们把核反应堆中的球形核燃料颗粒由冷却剂气体流化起来，裂变热量将能够被迅速带走，这种反应堆将会有许多优点，例如热量传递快、不存在局部热点、可以模块化建造等，当然其最突出优点就是在事故情况下，如果冷却剂无法正常进入反应堆内，球形核燃料颗粒自然就无法被流化，受重力作用核燃料就会迅速下落至反应堆下方容器，实现非能动的自然停堆，因此核反应堆的安全性大大提高，从根源上杜绝了堆芯融化事故！

　　当然，这种类型的反应堆还在科学研究阶段，目前已经有了各种设计构想，虽然这些构想离真正工业应用还有一段距离，但是这种固有安全的“流化床反应堆”将代表着一种未来的发展方向！

结语

 　　人类目前的科技成果几乎都是基于爱因斯坦打下的基础理论所进行的应用科技的创新，如果没有第二个爱因斯坦出现，能改变人类目前存量博弈命运现状的也许就是可控核聚变技术了（人造太阳），这也是爱因斯坦给人类留下的基础理论“柠檬”里价值最高的那滴“水”。我国政府的聚变工程实验堆（CFETR）预计到2050年能研制出可控核聚变的商用炉，也就是在30年后！让我们一起期待一下中国核技术的重大突破，愿不久的将来人类便能用上安全、稳定，取之不尽用之不竭的原子能！

参考资料：

[1] 中国全球首座具备四代核安全特性的气冷堆明年发电，气冷堆到底有多安全？--来源：“中国科普博览”微信公众号（ID：kepubolan）作者：寒木钓萌

[2] 刘马林. 化工流化床技术在铀燃料循环工业中的应用[J]. 化工进展, 2013, 32(3):508-514.

[3] 朱钧国, 杨冰, 张秉忠, et al. 10MW高温气冷堆首次装料的包覆燃料颗粒研制[C]// 中国核学会核材料专业分会会议暨学术交流会. 2002.

[4] 刘马林. 流化床-化学气相沉积技术在先进核燃料制备中的应用进展[J]. 化工进展, 2019, 38(04).

[5] Miles B E , Pain C C , Gomes J L M A , et al. Simulation of a gas-cooled fluidized bed nuclear reactor. Part I: Mixed oxide fuels[J]. Annals of Nuclear Energy, 2010, 37(7):999-1013.

本文小编：青楠