什么是快堆
6种第四代堆型中,快堆占据了一半,中国在建的中国实验快堆和山东石岛湾核电站都是快堆,那么什么是快堆呢?
快堆是快中子增殖反应堆的简称。在消耗核燃料的同时,真正做到核燃料越烧越多,核废料越烧越少。
自然界中铀-235的蕴藏量仅占0.66%,其余绝大部分是铀-238,它占了99.2%。为保证核反应正常进行,一般轻水堆采用3-4%的浓缩铀-235为原料,也就是说真正参与核反应的原料只有3-4%,余下是会产生辐射的铀-238核废料。
实验快堆结构图
快堆不用铀-235,而用钚-239作燃料,不过在堆心燃料钚-239的外围再生区里放置铀-238。钚-239产生裂变反应时放出来的快中子,被装在外围再生区的铀-238吸收,变为铀-239,铀-239经过几次衰变后转化为钚-239。这样,钚-239裂变,在产生能量的同时,又不断地将铀-238变成可用燃料钚-239,而且再生速度高于消耗速度,核燃料越烧越多,快速增殖,所以这种反应堆又称“快速增殖堆”。
快中子堆一般采用氧化铀和氧化钚混合燃料(或采用碳化铀-碳化钚混合物),将二氧化铀与二氧化钚混合燃料加工成圆柱状芯块,装入到直径约为6毫米的不锈钢包壳内,构成燃料元件细棒。燃料组件是由多达几十到几百根燃料元件细棒组合排列成六角形的燃料盒。
中国快堆试验台
钠冷快堆
在快堆中,又以钠冷快堆性能最好,中国实验快堆(CEFR)和比尔·盖茨极力推广的行波堆技术都是钠冷快堆,其安全特性指标已达到第四代先进核能系统的要求。同铅冷快堆和气冷快堆相比,钠冷快堆优势明显:
钠原子质量大,中子碰撞之后质量不损失;钠的中子吸收截面小,吸收中子不多,不损耗能量;钠导热性好,很容易把能量带走,解决了反应堆最怕的过热问题;钠的熔点是98℃,但沸点高达890℃,在通常500℃~600℃的工作环境中只需两、三个大气压,安全性好;钠的比热大,所以钠冷堆的热容量大,在中国实验快堆中,8米直径的反应堆用了260吨的液态钠,只需要两层25毫米外壁的壳进行防护;钠没有毒性,在工作温度下对金属腐蚀性小。
所以钠是快堆的一种很好的冷却剂。世界上正在建造的和计划建造的大多是钠冷快堆。
中国实验快堆于2000年5月开工建设,2010年7月21日首次达到临界。中国成为继美、英、法等国之后,世界上第8个拥有快堆技术的国家。截至2014年12月,中国实验快堆已经累计并网运行438小时,累计发电量超过300万度,累计上网电量超过180万度。