這一篇開(kāi)始講講核反應(yīng)堆與一般鍋爐的不同點(diǎn)。首先就是衰變熱。普通的鍋爐，掐斷燃料供應(yīng)，立馬就熄火了。而核能不一樣，一旦點(diǎn)燃，裂變產(chǎn)物中大量的放射性物質(zhì)就持續(xù)不斷的開(kāi)始衰變。因此，核動(dòng)力裝置與化石燃料動(dòng)力裝置在熱能系統(tǒng)方面的主要設(shè)計(jì)差異是出于衰變熱的考慮。

下圖是典型的反應(yīng)堆停堆后衰變熱隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。可以看到，在停堆后的一瞬間，衰變熱可以達(dá)到堆芯滿(mǎn)功率的6~7%。這里面其實(shí)是包含了一部分緩發(fā)中子引起的裂變熱量的。我們可以估算一下，一個(gè)電功率1000MW（一百萬(wàn)千瓦）的核電站，反應(yīng)堆熱功率一般有3400MW左右，6%的衰變熱也就相當(dāng)于204MW，也就是20萬(wàn)千瓦的發(fā)熱率，要知道過(guò)去很多小火電機(jī)組也就幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)千瓦的功率，這個(gè)衰變熱抵得上不少小火電的功率了。這就意味著停堆之后必須得保持足夠的冷卻能力，防止堆芯燒毀。

衰變熱隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低，在停堆后1小時(shí)，衰變熱降低到1%，停堆10天后，降低到約3‰。在1%的衰變熱下，大約還有34MW的發(fā)熱量，千分之一的衰變熱相當(dāng)于3.4MW的發(fā)熱量。這里我們來(lái)做個(gè)估算：

• 反應(yīng)堆堆芯的一般也就幾米的尺寸，表面積大概在100個(gè)平米左右。
  
• 空氣的自然對(duì)流換熱系數(shù)在5~20W/m2-K，我們?nèi)〕?0.
  
• 假設(shè)停堆后衰變熱為千分之一也就是3.4MW
  
• 如果沒(méi)有額外的冷卻系統(tǒng)，單靠壓力容器表面的空氣自然對(duì)流換熱，那么可以估算一下壓力容器表面溫度比空氣溫度高多少：
  
• 3.4MW÷（20W/m2-K*100m2）≈1700℃
  

可見(jiàn)，即便是幾十天之后，如果沒(méi)有有效的冷卻，衰變熱都將是一個(gè)大問(wèn)題。冷卻的辦法很簡(jiǎn)單，灌水。我們?cè)僮鲆粋€(gè)估算，把上面的空氣自然對(duì)流換成水的自然對(duì)流，假設(shè)有足夠多的水，把堆芯泡在里面，水中自然對(duì)流的換熱系數(shù)可以達(dá)到1000左右，那么溫升立馬降低為大約34℃了。

當(dāng)然，上面的估算很粗陋，做這個(gè)估算，主要是為了對(duì)衰變熱及其后果有一個(gè)直觀(guān)的認(rèn)識(shí)，對(duì)導(dǎo)出衰變熱的方法和效果有一個(gè)直觀(guān)的概念。實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，核動(dòng)力裝置都會(huì)把余熱排出作為設(shè)計(jì)之初就要考慮的重點(diǎn)來(lái)做。更一般的說(shuō)，余熱排出的物理機(jī)制決定了堆芯的形貌。地球上用的各類(lèi)水冷、氣冷、液態(tài)金屬冷卻堆，功率密度高、選用的材料并不能耐特別高的溫度，往往意味著需要一套復(fù)雜的、依靠水冷的余熱排出裝置。比如，壓水堆（圖來(lái)自網(wǎng)絡(luò)，侵刪）：

圖中從反應(yīng)堆壓力容器（RV）引出的紅色管線(xiàn)通網(wǎng)一個(gè)大大的換料水池中，設(shè)置了一個(gè)換熱器，用于帶出余熱。通過(guò)上面的估算，我們知道，靠水冷卻可以有效的將反應(yīng)堆溫度降低。

當(dāng)然，如果我們考慮空氣才是地球上最廣泛存在的，希望設(shè)計(jì)一個(gè)靠空氣自然循環(huán)就能安全帶走余熱的堆，也不是不可以，比如石墨球床高溫氣冷堆，但這就意味著很低的功率密度了。我們?cè)賮?lái)做一組估算：

• 以我國(guó)HTR-10的10MW高溫期冷堆為例
  
• 堆芯體積5立方米，由于查不到數(shù)據(jù)，我們按長(zhǎng)方體估算其表面積約22平方米
  
• 衰變熱按千分之一計(jì)算，也就是10kW
  
• 空氣自然對(duì)流下溫升為10kW÷（20W/m2-K*220m2）≈22℃
  

果然很不錯(cuò)，只不過(guò)代價(jià)是：

• 壓水堆堆芯功率密度大約是100MW每立方米
  
• 高溫氣冷堆的功率密度是2MW每立方米
  

而如果考慮一類(lèi)以熱輻射為主要余熱排出機(jī)制的堆芯，比如用在星辰大海方面的空間堆：

同樣，我們也可以做個(gè)估算：

• 以美國(guó)SNAP-10反應(yīng)堆為例，其熱功率35kW（雖然電功率只有可憐的500W，沒(méi)有工質(zhì)的宇宙人真可憐）
  
• 姑且它10平方米的表面積吧（大方一點(diǎn)，無(wú)所謂）
  
• 輻射換熱公式：，大方一點(diǎn)前面那個(gè)系數(shù)還是取1，但是斯特潘常數(shù)是負(fù)八次方量級(jí)的！
  
• 我們算出，表面溫升大約有500℃了。
  

這還是很大方的估算的結(jié)果。可見(jiàn)，如果不靠對(duì)流換熱而是靠輻射換熱，整個(gè)堆芯的設(shè)計(jì)理念就完全不同了。

最后對(duì)本文做個(gè)總結(jié)：

• 衰變熱是反應(yīng)堆長(zhǎng)期安全的必要設(shè)計(jì)考慮
  
• 衰變熱導(dǎo)出的機(jī)制會(huì)影響堆芯的形式
• 天下沒(méi)有免費(fèi)的午餐，追求高功率密度就要設(shè)計(jì)高效的長(zhǎng)期冷卻裝置