- 阿岡國家實驗室證明無需電力可控制衰變熱。
- 被動安全系統RCCS利用自然浮力和重力進行冷卻。
- 研究揭示了設計下一代核電的兩個關鍵見解。
- 幾英尺的管道對齊影響流體穩定性和冷卻效率。
即使核反應堆停運，實際上也並非完全靜止。鏈式反應瞬間停止，但仍會留下殘餘的熱能，科學家稱之為衰變熱。如果不加控制，這種持續的能量可能會扭曲鋼材、融化組件，並將例行停機轉變為危機。現在，美國能源部阿岡國家實驗室的研究人員證明，我們不需要電力或人為幹預來控制這一現象，而只需依賴簡單而不妥協的物理法則。在一系列測試中，工程師們描繪了一種被稱為反應堆腔冷卻系統（RCCS）的被動安全設置在熱量劇烈波動時的行為。
阿岡核能工程師盧秋平表示：「大多數先進的反應堆供應商依賴像 RCCS 這樣的被動系統來證明其設計在不太可能的事故情境下仍然能夠保持安全。我們的實驗提供了他們所需的高品質數據，以向監管機構展示其安全系統將如預期運行。」
被動安全系統的運作原理
無泵冷卻即使核反應堆停機後，殘餘的衰變熱仍會從核心散發，並需要可靠、持續的冷卻。阿岡國家實驗室的研究人員評估了 RCCS，這是一種被動設置，利用自然浮力和重力，而非機械泵，通過周圍的金屬管道循環水。較暖的水上升到高位儲水箱，而較冷的液體下降，無需人為或電力幹預便能帶走熱量。這一設計在 59 英尺的自然對流停機熱去除測試設施進行了測試，揭示了液態水和蒸汽在現實功率變化過程中的相互作用，並提供了在沸騰條件下系統性能的關鍵數據。
阿岡的研究人員通過在 NSTF 設施進行控制測試，模擬了這些現實世界的波動，涵蓋了一系列的縮放功率水平。他們還調整了主要儲水箱進水口的高度，這是一個關鍵的設計變量，決定了水的可用總量，並改變了冷卻迴路中的自然循環模式。
盧秋平表示：「我們提出了兩個問題。當衰變熱高於或低於設計者預期時會發生什麼？而調整儲水箱的連接高度是否會改變系統運行的可靠性？」在 59 英尺 NSTF 測試迴路中的多小時功率增加期間，研究人員監測了水在模擬反應堆條件下加熱、沸騰和產生蒸汽的情況，並專注於「閃蒸」現象，即上升的水因壓力下降而突然蒸發成蒸汽，而非因為添加熱量。這些突發的蒸汽噴發會引發流量激增和壓力波動，降低冷卻效率，對反應堆組件造成壓力，促使研究人員精確定位這些不穩定性出現、達到高峯和消散的地方。
研究結果對核電設計的啟示
研究結果揭示了設計下一代核電的兩個見解。在全規模相當於 2.4 兆瓦的功率下，閃蒸產生的蒸汽在沸騰開始後僅 20 分鐘便湧入上方煙囱。若將功率降至 1.75 兆瓦，蒸汽則需 90 分鐘才能到達。當功率為 1.4 兆瓦時，蒸汽根本未能到達煙囱。儲水箱進水口的放置也強烈影響整體穩定性。中等高度的進水口在 15 分鐘內迅速穩定，而較低的進水口則在測試過程中持續產生因閃蒸引起的不穩定性。
結果顯示，幾英尺的管道對齊可以意味著混亂流體激增與平穩、自我修正冷卻之間的顯著差異。這些發現提供了滿足嚴格核能法規所需的具體證據，並促進更安全、無熔毀的清潔能源系統的全球部署。
被動冷卻系統對核能安全的重要性
無需電力的被動冷卻系統在核能安全中扮演關鍵角色，特別是在反應堆停運後的衰變熱管理。這項研究提供了重要數據，顯示如何利用自然物理法則來確保冷卻效率，減少人為干預的需求。隨著全球對清潔能源的需求增長，這些技術的發展將促進更安全的核能系統，並可能改變未來核電的設計標準。