快中子堆浅析

快中子堆浅析

0、 导言

快中子堆（fast breeder reactor ，FBR ），是由快中子引起裂变链式反应的反应堆。其在运行时，能在消耗易裂变核素的同时生产易裂变核素，且能使所产多于所耗，实现易裂变核素的增殖。

快中子堆，全称应为快中子核反应堆或快速增值核反应堆，简称快堆。快中子堆是第四代核反应堆GIF 建议的六个候选堆型之一，具有可充分利用铀资源、闭路燃料循环、可实现燃料增殖、热效率高等第四代核反应堆系统的特点。

1、 快中子堆基本原理

快中子堆主要是利用天然铀中占99.2%左右的U 238，这很大的区别于压水堆使用U 235作燃料。U 235对热中子的核裂变截面很大，在0.025ev 时裂变截面达到最大。U 238只有在足够高的能量的中子轰击下才有可能发生裂变，但是其对快中子的俘获截面很大。所以使用U 235的压水堆为提高中子利用率，需要使用慢化剂将核裂变中释放的中子迅速慢化，而快中子堆中不需要使用慢化剂。

U 238与快中子发生俘获反应经一系列变化后，转换为易裂变核素Pu 239，Pu 239在任何能量的中子轰击下均能发生核裂变反应释放能量，从而间接的利用了压水堆中无法利用的U 238，这也导致快堆电站初运行时需要装入一定量的Pu 94239作为启动时的核燃料。其转换式如下：U （n,γ） 92238U 92298 β− Np 93239 β− Pu 94239。

2、 快中子堆基本构成

当前有可能实现商业应用的快中子堆堆型有

三种，分别是气冷快中子堆（GFR ）、铅冷快中子堆

（LFR ）、钠冷快中子堆（SFR ）。其中基于当前的工

业基础和运行经验，钠冷快堆SFR 被多国作为第四

代快中子反应堆的第一选择。快堆使用的是能谱较

硬的快中子，这直接导致其在结构构成上很大的区

别于使用热中子的压水堆等。本文将主要围绕钠冷

快堆展开介绍。

2.1 燃料组件

快中子堆的大部分功率是在燃料组件内产生

的，一座典型的均匀LMFBR ，85%~95%的功率来自

燃料区，3%~6%产生在燃料组件内的轴向转换区，

3%~8%的功率在径向转换区内产生。燃料元件的结

构必须保证其在工作寿命内，具有承受各种载荷能

力，如高中子辐照、温度、水力载荷以及地震载荷

下保持结构基本完整。

快中子堆燃料组件的结构如图1，其在设计中

广泛的采用三角形栅格或六角形栅格结构。在典型

的三角形栅格结构中螺旋形金属绕丝把燃料元件棒隔开，271根燃料元件细棒组组成棒束置

于组件导管内。

燃料棒由燃料芯块区、上下轴向转换区、裂变气体腔以及结构材料等部分组成。燃料棒

图1 快中子堆燃料组件

长约3m，但包含有易裂变燃料的区域(它们组成反应堆堆芯)仅约为燃料棒长度的1／3。

目前快堆的燃料是氧化铀和氧化钚(UO2-PuO)混合物，第二代陶瓷燃料—混合碳化物(UC-PuC)正在研究之中，利用金属燃料和钍铀-233混合物陶瓷燃料的设计也已开始研究。当前的混合氧化物燃料燃耗可达100MW∙d/kg，熔点约为2750℃。每个燃料芯块长约7mm，直径约6mm。轴向转换区芯块，是用贫铀氧化物制成的，它们装在堆芯燃料芯块上部和下部。轴向转换区的典型高度是0.3m~0.4 m，芯块上面的弹簧用于在运输时压紧芯块。裂变气体腔是用于容纳在辐照期间产生裂变产物的。

燃料组件的结构材料主要包括包壳材料和组件外的套管材料，现在多为奥氏体不锈钢（316SS或316Ti）。包壳使燃料棒保持结构上的完整性，并把燃料和冷却剂分隔开来，从而避免裂变产物进入一次冷却剂里，包壳管外径的典型值为6mm~8 mm，所以燃料和包壳之间有一个初始的间隙。

快堆燃料元件的功率密度很高，其线功率可达450W/cm，芯块温度梯度高达104℃/cm，包壳最高温度700℃，快中子注射量（2~4）×1015n/(cm2∙s)。

2.2 堆芯结构

快堆的堆芯通常由两个区组成，即燃料区和再生区（增殖转换区）。燃料区通常由若干钚含量不同的燃料组件同心圆环组成，中间

插有若干含有B4C的控制棒组件；再生区则

由一些含可转换材料(如贫铀)棒的增殖组件

组成。

堆芯的布置可以有两种不同形式：一种

叫做均匀堆芯布置，燃料区集中在中间，再

生区(增殖组件)则包围在燃料区的外围；另

一种是非均匀堆芯，这些增殖组件在芯部中

与燃料组件相间布置。通常为了减少堆芯外

部的中子注量，并起部分反射中子作用，在

芯部外面围上数圈“反射”组件，这些组件的

形状和尺寸均与燃料组件一样，但它是由不

锈钢钢材料制成。

2.3 冷却剂

快堆使用直径约1米的由核燃料组成

的堆芯，堆中核裂变反应十分剧烈，体积比功率是压水堆的4~5倍，必须使用导热能力很强的液体把堆芯产生的大量热带走，同时这种热也就是用作发电的能源。钠冷快堆用液态金属钠作为冷却剂，通过流经堆芯的液态钠将核反应图3 池式钠冷快堆

释放的热量带出堆外。

钠的中子吸收截面小，导热性好，而且

不容易减慢中子速度，不会妨碍快堆中链式

反应的进行，所以是理想的冷却液体；沸点

高达886.6℃，常压下钠的工作温度高，快

堆使用钠做冷却剂时只需两、三个大气压，

冷却剂的温度即可达500-600℃；比热大，

因而钠冷堆的热容量大；在工作温度下对很

多钢种腐蚀性小；无毒。所以钠是快堆的一

种很好的冷却剂。但钠的熔点为97.8℃，在

室温下是凝固的，所以要用外加热的方法将