四代快堆特性分析及前景展望

四代快堆特性分析及前景展望

作者：李伟哲覃国秀

来源：《科技信息·下旬刊》2017年第06期

摘要：四代核电技术共六种堆型，其中三种为热堆，三种为快堆。快堆由于其独特的自身优势，受到广泛的关注。本文分析了铅冷快堆、气冷快堆以及钠冷快堆的特性，并对其发展前景进行了探讨。

关键词：气冷快堆；铅冷快堆；钠冷快堆

近几年，我国的核电技术发展迅速，不仅研发了具有自主知识产权的压水堆技术，并且已经将核电技术输出到了国外。我国在大范围建设压水堆核电站的同时，也在积极研发四代堆技术。

四代反应堆包括六种堆型，包括气冷快堆、铅合金液态金属冷却快堆、液态钠冷却快堆、熔盐反应堆、超临界水冷堆、超高温气冷堆。前三种为快堆，后三种为热堆。快堆比热堆最大的优势是燃料的可增殖。热堆的能量主要来源于热中子引起铀235裂变产生的热量，以及裂变产物产生的衰变热。快堆由快中子引发裂变，主要用钚239作为核燃料。在反应堆堆芯，钚239的外围区域放有铀238，堆内的快中子撞击钚239使其发生裂变，裂变产生的快中子被外区的铀238吸收，生成铀239，铀239属于不稳定核素，经过几次衰变后会转化为钚239。也就是说随着反应的进行，堆芯的核燃料会反而会变多，这种现象就叫做燃料的增殖。因此快堆技术优于热堆技术，快堆不仅可以节省燃料，还可以提高反应堆的能效。

1 气冷快堆

气冷快堆，英文缩写为GFR。是由快中子引发裂变，用氦气作为冷却剂的反应堆。气冷快堆的燃料主要有复合陶瓷型、先进颗粒型和锕系元素混合物陶瓷包壳元件型三种，燃料循环的形式为闭式。运行时的出口温度约为850℃。

堆芯布局可以是棱柱块状或者是针状或板状燃料组件。GFR参考堆有一个一体化的场内乏燃料处理和再处理厂。通过综合利用快中子谱与锕系元素的完全再循环，将长寿命放射性废物的产生量降到最低[1]。由于冷却剂使用的是气体，因此其热导率较低，目前对气冷快堆的研究较少。

2 铅冷快堆

铅合金液态金属冷却快堆，英文缩写为LFR。由快中子引发裂变，用铅或铅/铋液态合金作为冷却剂的反应堆。堆芯装载的核燃料有铀钚混合的氧化物或氮化物两种，其采用的燃料循环方式与气冷快堆一样，属于闭式循环。运行时的冷却剂出口温度一般为550℃，如果使用的是先进的核材料，温度可达800℃。核电站的额定功率可在几种方案中进行选择，包括一个换

料间隔很长的50到100MWe电池组、额定功率在300到400MWe模块系统，以及一个

1200MWe大型整体电厂方案[1]。

国内外对铅冷快堆的研究较多，俄罗斯、欧洲、日本、韩国、美国以及中国等国家都在此项技术上有较为深入的研究。

铅冷快堆的特点是以固有安全概念贯穿于堆的整个设计过程，它是具有固有安全性的反应堆，因此，是一种很有发展前景的先进核动力堆堆型[2]。

3 钠冷快堆

液态钠冷却快堆，英文缩写为SFR。由快中子引发裂变，液态钠作为冷却剂的反应堆。使用的燃料是铀-钚-锆组成的金属合金，同样采用的是闭式燃料循环。运行时的出口温度约为550℃。

目前全世界钠冷快堆的运行时间已超过430堆年，技术的成熟性在一定程度上得到了工程验证。全球已经建成的功率最大的钠冷快堆是法国里昂附近的超凤凰堆，其电功率为

1200MW。全球运行记录最好的是俄罗斯的BN600快堆，在成功运行30年后进行升级改造，又将延长运行至少10年[3]。

我国第一座实验快堆的一回路和二回路都是用液态钠作为冷却剂，2000年5月开工建设。2011年7月21日10点成功实现40%功率并网发电。此反应堆的热功率为65MW，电功率20MW，一回路采用一体化池式结构，堆芯冷却剂入口温度360℃，出口温度530℃，压力为14MPa。我国实验快堆的安全性设计由固有安全性和非能动安全性组成。

钠冷快堆主要存在两个安全问题，第一是钠火问题，即当管道或设备发生破损时，液态金属钠泄漏到空气中，钠与空气发生燃烧的现象；第二是钠水问题，即当蒸汽发生器发生破损时，液态金属钠与水发生钠水反应，产生氢氧化钠和氢气。

不过这两种问题通过设置有效的事故监测及处理系统，可有效防止或缓解钠泄漏事故，加上钠冷快堆特有的固有安全特性，可有效保障钠冷快堆的安全运行[4]。

4 快堆前景展望

通过上述分析，目前研究较多的是针对以液态金属为冷却剂的快堆，气冷快堆技术应用前景不太乐观。而且液态钠与液态铅的物性参数优于气体，更适合用于冷却堆芯。

从金属钠与金属铅的综合性能来看，金属钠要优于金属铅。钠的熔点为98℃，铅的为327.6℃，因此铅冷快堆要比钠冷快堆的工作温度高；钠的沸点为883℃，铅的为1743℃，液态金属快堆的工作温度在550℃左右，因此沸点的不同对两种快堆影响不大；钠的热导率为

71.2/W.（m.K）-1，铅的热导率为17.1/W.（m.K）-1，可见钠的导热性能优于铅。综合上述几点，液态金属钠冷却快堆发展前景较好。

快堆技术对于解决能源问题会起到至关重要的作用，快堆技术的研发必将在未来核能的发展历程中占据重要地位。尽管快堆有很多优点，但是目前快堆技术并不完善，且运行经验较少，快堆的安全稳定运行还需要时间去验证。因此快堆大范围的商业运行还有很多难关需要攻克。

参考文献：

[1]哈琳.六种第四代核反应堆概念[J].国外核新闻.2003，1：15-19

[2]沈秀中，于平安，杨修周，徐济鋆.铅冷快堆固有安全性的分析[J]. 核动力工程.2002，23：75-77

[3]徐銤，杨红义.钠冷快堆及其安全特性[J].先进核能专题.2016，45：561-568

[4]何佳闰，郭正荣.钠冷快堆发展综述[J].东方电气评论.2013，27：36-43