被动冷却系统在核电厂中无需泵或外部电力驱动，完全依靠密度差、重力和冷凝等物理效应来带走热量。保罗谢勒研究所（PSI）的研究人员现已首次针对小型模块化反应堆的这类系统开展实验研究，并获得高分辨率测量数据，为未来反应堆的设计和验证提供了重要基础。

小型模块化反应堆是一类电功率最高约300兆瓦的紧凑型核电厂，明显小于目前常见的约1000兆瓦及以上的大型机组。这类反应堆有望实现工厂化批量制造，便于灵活部署。其一大特点是安全理念：大量设计方案放弃依赖外部电源的主动安全系统，转而采用被动冷却。通过冷凝、重力和密度差等自然过程，在紧急情况下也能维持反应堆安全状态。

然而，要准确模拟这些复杂的冷却过程，必须依托可靠的实验数据，而此前相关数据十分有限。PSI的一项新研究在这一领域迈出关键一步：研究团队在PSI的PANDA测试设施中，首次在接近真实工况的条件下，对小型模块化反应堆的被动冷却系统进行了系统实验。

这项实验由来自十多个国家的合作伙伴参与和支持，获取了可用于校核和改进模拟模型的高分辨率测量数据。相关成果已发表在期刊《Nuclear Engineering and Design》（《核工程与设计》）上。

通过自然换热冷却蒸汽

PSI的实验聚焦核电厂设计中的一个关键问题：在事故情景下，如果反应堆内的蒸汽泄漏到厂房外部的安全壳中，会发生什么？这些蒸汽必须被有效冷却，否则安全壳内压力会持续上升，影响安全。

在传统反应堆中，这一任务通常由主动安全系统承担，例如依赖泵和阀门的水喷淋系统，用来带走热量并控制安全壳压力。但这类系统需要稳定的电力供应，一旦电源中断，其功能可能受限。因此，研究界越来越重视无需外部电源的被动蒸汽冷却方案。

为此，PSI核工程与科学中心的Yago Rivera Durán领导团队，测试了一个闭合式被动冷却回路。该回路的核心是一根约6米高的垂直管道，内部有冷水流动。当事故中蒸汽进入安全壳后，会接触到这根管道的冷表面，在表面冷凝成液态水，并以水滴形式重新流回反应堆系统。

冷凝过程中释放的热量被传递给管内的水。由于加热后的水密度低于冷水，它会自然向上流动，将热量带到上部水库中散出，冷却后的水再回流到底部。整个循环完全依赖冷热水密度差驱动，无需任何泵或外部电力。

此前已有实验表明，这类系统在原理上是可行的。PSI团队在此基础上更进一步，首次提供了核电厂尺度下的高精度测量数据，细致刻画了系统内部的物理过程。研究人员还利用高速摄像机，对管道表面形成和演化的微小冷凝水滴进行了详细观测。

实验中，研究人员首次清晰地观察到安全壳内气体的分层现象：下部区域空气含量更高，而上部区域则以水蒸气为主。这一发现对反应堆设计和数值模拟都非常关键。如果在模型中忽略这种分层效应，可能会低估系统的散热能力或误判冷却行为。

此外，团队通过追踪气体中的微小颗粒，发现管道附近的气体流动非常缓慢。由此可以推断，该区域的冷凝过程主要由扩散控制，而不是由强烈的整体气流驱动：水蒸气缓慢扩散到管壁表面并在其上冷凝。这表明冷却性能高度依赖局部条件和细节结构。

PANDA：不是“真”反应堆，但数据真实可靠

实验在全球独一无二的PANDA研究设施中进行。PANDA是德语“被动余热移除与压力释放”的缩写。该设施高约25米，跨越五层楼，由多个容器组成，总体积约500立方米，可在无放射性条件下逼真模拟核反应堆中的热工水力过程。

PANDA本身不含放射性物质。实验中使用的蒸汽温度最高可达200°C，压力可达10巴，由功率约1.5兆瓦的电加热器产生。研究人员可以在设施中80多个不同位置抽取气体混合物，并通过质谱仪分析其成分和分布。

PANDA的一大优势是高度可重构性。目前针对小型模块化反应堆已有数十种不同设计方案，其中许多都可以在该设施内以缩比或等效方式进行模拟。设施配备约1450个传感器，能够持续提供大量高质量实验数据。

“过去从事模拟开发的研究人员往往难以确认自己的计算结果是否真正反映现实情况，”Rivera Durán指出，“我们正通过PANDA来弥补这一缺口。”这些数据将首次为未来反应堆的安全分析和许可评估提供坚实的实验依据。

预订排到2030年代

由于PANDA设施在全球范围内的独特性，它吸引了来自十个国家的研究机构、大学和监管部门参与合作。目前，瑞士核电运营商协会Swissnuclear正依托该设施开展国家级项目，欧盟以及欧洲、美洲和亚洲的多项国际合作项目也在同步推进。

最新发表的论文标志着一个基于PANDA数据的国际基准测试计划正式启动。全球已有25家机构加入这一合作，利用实验结果来验证和改进各自的模拟工具和方法。

后续的PANDA-2项目将在现有工作的基础上继续深入，重点研究更复杂的事故场景以及被动安全系统的长期自主运行行为。该国际项目预计持续至2030年，而相关的国家和欧盟层面项目规划则将延续到2030年代。