mr sandman游戏:球床反应堆为什么在理论上不会出现核芯熔解?

球床反应堆亦称卵石床反应堆，是一种先进的核子反应堆设计。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，在高温下直接推动涡轮引擎。由于毋须处理蒸气，系统的热能效率可以得到提高。

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合作研究；目前已建有十兆瓦的试验反应堆，并计划于五年内兴建第一座投产发电厂。

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。球状燃料放置在罐状容器内，让氦、氮、或二氧化碳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式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
固定式的球床反应堆，燃料是可以不停的更换，毋需好像一般反应堆般，每隔数年要把反应堆关闭数星期更换燃料。多个球状燃料放在桶状容器内，燃料球每年循环约十次。每次循环把一个或数个燃料球取出检验，需要时更换成新的。旧燃料球则成为核废料。

这种球床反应堆的概念是德国教授RUDOLF SCHULTEN在 1950年代提出的。1966年德国于Jülich 建成第一座 15兆瓦，简称AVR的试验反应堆。之后并一路运行，直至1988年12月1日，在苏联切尔诺贝尔核电厂泄漏幅射之后关闭。

AVR 使用氦作为冷却剂。氦很少会吸收中子，亦很少感应变成具放射性，因此氦冷却剂的放射性并不强烈。AVR 直接使用冷却剂推动发电。

北京清华大学的球床反应堆是使用AVR 的技术，于2004年9月建成十兆瓦的实验堆，名为HTR-10。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。华能已宣布在山东威海建造首座投产的球床反应堆，功率为195兆瓦，预计于五年内运作。中国有计划在2020年前兴建三十座球床式反应堆。清华大学亦有计划研究以反应堆产生的高温气体分解蒸气，制造氢气，以供将来的氢汽车使用。

南非的 Eskom 是球床反应堆技术的领导者之一。南非出口铀矿，但却入口石油。Eskom 设计的球床反应堆主要供发电厂在用高峰时快速增加发电量，亦可供海水化淡。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，建造计划仍在司法过程审理当中。

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低于石墨的退火温度，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，防止幅射外泄：

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，石墨溶点为摄氏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。

安全问题
有人认为用来包装核燃料的石墨有可能会著火燃烧，是一个安全上的问题。（苏联切尔诺贝尔核电厂发生意外时石墨曾经燃烧。)反应堆因此必须以惰性气体作冷却剂，而且不能接触氧气。如果在更换燃料的过程中，空气进入反应堆，可能会造成严重事故。

燃烧球的制造如果有瑕疵，亦可能产生问题。

德国的AVR 反应堆曾出现燃料球卡住的问题，引起幅射外泄，最后导致德国政府下令关闭研究计划。