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[科普中國]-快中子堆

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產(chǎn)生

現(xiàn)在在用的核反應(yīng)堆多數(shù)為輕水堆(它分壓水堆和沸水堆兩類),采用鈾235為原料,一般自然界鈾235的蘊藏量為0.7%,為保證核反應(yīng)正常進行,一般輕水堆采用3-4%濃縮鈾235為原料,也就是說真正參與核反應(yīng)的原料只有3-4%,余下是會產(chǎn)生輻射的鈾238廢料,鈾238不能由中子直接激發(fā)裂變產(chǎn)生能量。長期以來核廢料的處理一直是一大難題。

原理在早期核反應(yīng)實驗時,有人發(fā)現(xiàn)鈾238在參與裂變時,會少量吸收高速中子變?yōu)殁?39,但鈾239極不穩(wěn)定,會快速衰變?yōu)檩^為穩(wěn)定的钚239,钚239亦可作為與U235相似的裂變原料?;诖颂匦裕?0年代末法國科學家首先通過加大快中子產(chǎn)生量,制造出了第一臺快中子堆。以較為普遍的濃縮鈾235為原料,通過快中子使原料中鈾238不斷轉(zhuǎn)化為钚239,產(chǎn)生大于消耗,使得原料實現(xiàn)不斷增值。

快中子堆一般采用氧化鈾和氧化钚混合燃料(或采用碳化鈾-碳化钚混合物),將二氧化鈾與二氧化钚混合燃料加工成圓柱狀芯塊,裝入到直徑約為6mm的不銹鋼保殼內(nèi),構(gòu)成燃料元件細棒。燃料組件是由多達幾十根到幾百根燃料元件細棒組合排列成六角形的燃料盒。

快堆堆芯與一般的熱中子堆堆芯不同,它分為燃料區(qū)和增殖再生區(qū)兩部分。燃料區(qū)由幾百個六角形燃料組件盒組成。每個燃料盒的中部式混合物核燃料芯塊制成的燃料棒,兩端是由天然(或貧化)二氧化鈾束棒組成的增殖再生區(qū)。燃料區(qū)的四周是由二氧化鈾束組成的增殖再生區(qū)。

反應(yīng)堆的鏈式反應(yīng)由插入核燃料區(qū)的控制棒進行控制。控制棒插入到堆芯燃料組件位置上的六角形套管中,通過頂部的傳動機構(gòu)帶動。由于堆內(nèi)要求的中子能力較高,所以快堆中無須特別添加慢化中子的材料,即快堆中無慢化劑。1

分類目前快堆中的冷卻劑主要有兩種:液態(tài)金屬鈉或者氦氣。根據(jù)冷卻劑的種類,可將快堆分為鈉冷快堆和氣冷快堆。氣冷快堆由于缺乏工業(yè)基礎(chǔ),而且高速氣流引起的振動以及氦氣泄露后堆芯失冷時的問題較大,所以目前僅處于探索階段。鈉冷快堆用液態(tài)金屬鈉作為冷卻劑,通過流經(jīng)堆芯的液態(tài)鈉將核反應(yīng)釋放的熱量帶出堆外。鈉的中子吸收截面小,導(dǎo)熱性號,沸點高達886.6℃,所以在常壓下鈉的工作溫度高,快堆使用鈉做冷卻劑時只需兩三個大氣壓,冷卻劑的溫度即可達500~600℃,比熱大,因而鈉冷堆的熱容量大。在工作溫度下對很多鋼種腐蝕小,無毒,所以鈉是快堆的一種很好的冷卻劑。世界上現(xiàn)有的、正在建造和計劃建造的都是鈉冷快堆。但是鈉的熔點是97.8℃,在室溫下是凝固的,所以要用外加熱的方法將鈉融化。鈉的缺點是化學性質(zhì)活波,易于氧和水起化學反應(yīng)。當蒸汽發(fā)生器管子破漏時,管外的鈉與管內(nèi)泄露的水相接觸,會引起強烈的鈉-水反應(yīng)。所以在使用鈉時,要采取嚴格的防范措施,這比熱堆中用水作為冷卻劑的問題要復(fù)雜得多。

按結(jié)構(gòu)來分,鈉冷堆有兩種類型,即回路式和池式。

回路式結(jié)構(gòu)就是用管路把各個獨立的設(shè)備連接成回路系統(tǒng)。優(yōu)點是設(shè)備維修比較方便,缺點是系統(tǒng)復(fù)雜易發(fā)生事故。與一般壓水堆回路系統(tǒng)相類似,鈉冷快堆中通過封閉的鈉冷卻劑回路(一回路)最終將堆芯發(fā)熱傳輸?shù)狡?水回路,推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。所不同的是在兩個回路之間增加了一個以液鈉為工作介質(zhì)的中間回路(二回路)和鈉-鈉中間熱交換器,以確保因蒸汽發(fā)生器泄露發(fā)生鈉-水反應(yīng)時的堆芯安全,如右圖所示。

池式即一體化方案,池式快堆將堆芯、一回路的鈉循環(huán)泵、中間熱交換器,浸泡在一個很大的液態(tài)鈉池內(nèi)如下圖,通過鈉泵使池內(nèi)的液鈉在堆芯與中間熱交換器之間流動。中間回路里循環(huán)流動的液鈉,不斷地將從中間熱交換器得到的熱量帶到蒸汽發(fā)生器,使汽-水回路里的水變成高溫蒸汽。所以池式結(jié)構(gòu)僅僅是整個一回路放在一個大的鈉池內(nèi)而已。在鈉池內(nèi),冷、熱液態(tài)鈉被內(nèi)層殼分開,鈉池中冷的液態(tài)鈉由鈉循環(huán)泵送到堆芯底部,然后由下而上流經(jīng)燃料組件,使它加熱到550℃左右。從堆芯上部流出的高溫鈉流經(jīng)鈉-鈉中間熱交換器,將熱量傳遞給中間回路的鈉介質(zhì)。溫度降至400℃左右,再流經(jīng)內(nèi)層殼與鈉池主殼之間,由一回路鈉循環(huán)泵送回堆芯,構(gòu)成一回路鈉循環(huán)系統(tǒng)。

兩種結(jié)構(gòu)形式相比較,在池式結(jié)構(gòu)中,即使循環(huán)泵出現(xiàn)故障,或者管道破裂和堵塞造成鈉的漏失和斷流,堆芯仍然泡在一個很大的鈉池內(nèi)。池內(nèi)大量的鈉所具有的足夠的熱容量及自然對流能力,可以防止失冷事故。因而池式結(jié)構(gòu)比回路結(jié)構(gòu)的安全性好?,F(xiàn)有的鈉冷卻堆多采用這種池式結(jié)構(gòu)。但池式結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不便檢修,用鈉多。2

優(yōu)勢采用快中子堆,短期來看,首先解決了核廢料的處理問題??焖俣芽梢允乖侠寐侍岣?0-60倍,即實際原料重量的70%左右(一說90%,個人認為不太可能),產(chǎn)生廢料的量大為減少,周期也大大增加。長期來看,可以解決長期人類對裂變性核原料的需求。在堆芯處于常壓下,冷卻劑出口溫度可達到500-600℃,遠遠高于壓水堆的330攝氏度左右。

技術(shù)現(xiàn)階段基本掌握快中子堆技術(shù)的國家為美國、法國、日本、俄羅斯等,真正能有能力實現(xiàn)商業(yè)化運營的只有法國一家,我國亦廣泛開展了該領(lǐng)域的研究,現(xiàn)已有數(shù)座試驗性快堆在使用中。快堆技術(shù)難度遠較技術(shù)成熟的壓水堆高,即使是核原料的組合堆置也有一定技術(shù)要求,故推廣有難度。