快中子增殖堆

第五章：快中子增值堆一、快堆簡(jiǎn)介二、鈉冷快堆的特點(diǎn)三、幾個(gè)典型鈉冷快堆四、鈉冷快堆的挑戰(zhàn)一、快堆簡(jiǎn)介21座快堆，300堆年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

法國(guó)，前蘇聯(lián)建造和運(yùn)行大型商用快堆。

基本全部關(guān)閉（有8座沒(méi)徹底關(guān)閉），日本（MOUJU）命運(yùn)難測(cè)，三年內(nèi)計(jì)劃重新開(kāi)啟。中國(guó)在建試驗(yàn)快堆65MWth(20MWe,池式)

印度、韓國(guó)仍感興趣。印度政府已經(jīng)批準(zhǔn)在英迪拉·甘地原子研究中心建造一座500MWt的原型快堆一、簡(jiǎn)介40-50年代英、法、德、日、美、蘇等國(guó)優(yōu)先發(fā)展，重點(diǎn)為燃料增殖。

熔鹽，氣冷，鈉冷快堆。60年代注重經(jīng)濟(jì)性，用氧化物燃料（深燃耗，耐高溫，但氧有慢化作用）代替金屬燃料

70年代建原型堆：PFR（英國(guó)）、Phenix（法國(guó)）、BN－350（蘇聯(lián)）、SNR-300（德國(guó)）、CRBR（美國(guó)擬建），都是氧化物燃料＋不銹鋼結(jié)構(gòu)＋鈉冷80年代示范快堆：BN－600（蘇聯(lián)）、SuperPhenix（法國(guó)），試驗(yàn)堆Joyo（日本常陽(yáng)）1994年Monju（日本文殊）90年代后期，各國(guó)停止發(fā)展計(jì)劃，快堆發(fā)展進(jìn)入低潮。二、鈉冷快堆的特點(diǎn)冷卻劑：早期用汞，鈉鉀合金現(xiàn)一致采用液態(tài)鈉

-運(yùn)行溫度高：550°C（高效發(fā)電）

-運(yùn)行壓力低：<0.5MPa（避免失壓、失冷）-冷卻劑熱容大：抗熱沖擊

-流動(dòng)性好：利于自然循環(huán)被動(dòng)載熱二、鈉冷快堆的特點(diǎn)?鈉冷卻劑：最好的熱工性能

-沸點(diǎn)高：883°C-熔點(diǎn)高：97.8°C

-導(dǎo)熱系數(shù)大

na400/

water20=100

-粘性小na500/

water20＝1/4

-密度小na400/

water20

=0.86

液態(tài)金屬鈉具有較高的傳熱特性很寬的溫度范圍內(nèi)保持為液態(tài)普朗特?cái)?shù)很小1可以在很高的溫度下，在較小的溫差情況下移走大量的熱能2堆內(nèi)燃料元件的熱流很高，可以達(dá)到較高的比功率3由于熱鈉的熱導(dǎo)好，熱點(diǎn)因子也會(huì)減小，活性區(qū)內(nèi)溫度變化隨之降低，即使在熱沖擊的情況下，結(jié)構(gòu)變形的幾率也非常小。其熔點(diǎn)僅為97.8℃，沸點(diǎn)高達(dá)882.9℃。這樣使得快堆采用比較低的系統(tǒng)壓力就可以得到高的反應(yīng)堆堆芯出口溫度。從而獲得較高的動(dòng)力循環(huán)效率，而堆容器內(nèi)的壓力又不高，降低了造價(jià)，也就降低了發(fā)電成本。1與其它流體不同，在液態(tài)鈉流道內(nèi)的熱阻不是集中在層流底層或緩沖層內(nèi)，而是比較均勻的分布在整個(gè)截面上。2液鈉的高熱導(dǎo)使得邊界條件的影響達(dá)到更遠(yuǎn)的范圍，因而流道的幾何形狀對(duì)液鈉的熱傳遞影響很大。由于分子熱導(dǎo)在整個(gè)流道中起著很重要的作用，流體中溫度分布與邊界的形狀有很大關(guān)系3湍流狀態(tài)的液鈉的熱入口效應(yīng)比普通流體大的多，發(fā)熱面的熱流分布情況對(duì)傳熱系數(shù)有很大影響。燃料包殼與冷卻劑間溫差小與堆內(nèi)材料相容性好（堆芯材料用奧氏體不銹鋼）與各種燃料相容性好缺點(diǎn)在中子輻照下有活性化學(xué)性質(zhì)活潑，與氧、水有激烈反應(yīng)必須裝二回路不透明性溫度低于100°C（97.8°C)將冷凍二、鈉冷快堆的特點(diǎn)?二、鈉冷快堆的特點(diǎn)?裂變材料：钚－239，鈾－235轉(zhuǎn)換材料：鈾－238中子類型：快中子（0.08MeV）慢化劑：無(wú)堆結(jié)構(gòu)：回路式（16/21)，池式(5/21)三回路傳熱：鈉－鈉－水/蒸汽二、鈉冷快堆的特點(diǎn)?增值比大于1

1.24超鳳凰，（0.6壓水堆）裂變截面小，要求裝料多富集度高堆越小越高，中國(guó)試驗(yàn)快堆65％，大型堆18%功率密度大超鳳凰270kW/L,PWR100kW/L，BWR50kW/L傳熱問(wèn)題突出，燃料棒細(xì)（d＝6mm）發(fā)電效率高41.3%

蒸汽溫度/壓力＝490°C

/18MPa二、鈉冷快堆的特點(diǎn)?戰(zhàn)略意義:鈾資源充分利用PWR+FBR匹配發(fā)展，實(shí)現(xiàn)封閉燃料循環(huán)中國(guó)計(jì)劃：

-先發(fā)展PWR，積存工業(yè)钚。

-2025年建快堆，

-2050年P(guān)WR＋FBR616GW

二、鈉冷快堆的特點(diǎn)?焚燒長(zhǎng)壽命錒系核素，環(huán)境保護(hù)

-處置技術(shù)保證數(shù)百年，

-但核素影響數(shù)百萬(wàn)年

-錒系核素在快中子轟擊下裂變，其裂變產(chǎn)物在堆中在快中子作用下嬗變掉。池式及回路式鈉冷快堆ReactorNameCountryLocationCriticalityMWthMWeFuelCoolingSystemEBR-IUSAArco-Idaho19511.20.2U1loopBR5USSRObninsk19585.9-PuO2/UC2loopsDFRUKDounreay19596014UO224loopsEnricoFermiUSADetroit196330061U3loopsEBR-IIUSAArco-Idaho196362.520UpoolKNK-IIW.GermanyKarlsruhe1977-20PuO2-UO22loopsRapsodieFranceCadarache196740-PuO2-UO22loopsSEFORUSAArkansas196920-PuO2-UO21loopBOR60USSRMelekess19696012UO22loopsBN350USSRChevchenko19721000150PuO2-UO26loopsJoyoJapanOarai1977100-PuO2-UO22loopsPhenixFranceMarcoule1973560250PuO2-UO2poolPFRUKDounreay1974600250PuO2-UO2poolFFTFUSAHanford1980400-PuO2-UO23loopsBN600USSRBeloyarsk19801470600PuO2-UO2poolSuperphenixFranceCreys-Malville198529001200PuO2-UO2poolSNR300W.GermanyKalkar-----736312PuO2-UO23loopsMONJUJapanTsuruga1994714300PuO2-UO23loops世界快堆一覽三、幾個(gè)典型鈉冷快堆

PFR（UK）flowsheet4x8MWt1、PFR－池式鈉冷快堆2、前蘇聯(lián)回路式鈉冷快堆

1973建成,位于馬爾庫(kù)爾核研究中心，是法國(guó)研究長(zhǎng)壽命核廢物管理的重要設(shè)施

250MWe.3回路（3SG模塊）

運(yùn)行業(yè)績(jī)不錯(cuò)

對(duì)燃料輻照、钚、錒系長(zhǎng)放射性嬗變?cè)囼?yàn)。1999年開(kāi)始全面檢修鳳凰堆2003年6月重新啟動(dòng)。3、鳳凰堆（Phenix）

－法國(guó)池式鈉冷快堆根據(jù)新核安全法規(guī)，1999年開(kāi)始全面檢修。主要包括防震設(shè)備加固、鈉火防護(hù)措施、堆芯結(jié)構(gòu)全面檢查、更換蒸汽發(fā)生器、檢測(cè)其它相關(guān)部件等。運(yùn)行準(zhǔn)備：為兩個(gè)二回路裝鈉，完成了嬗變實(shí)驗(yàn)用堆芯的裝料、對(duì)控制棒重新鑒定試驗(yàn)、檢查汽輪發(fā)電機(jī)和蒸汽回路等。歐洲唯一能夠有效開(kāi)展長(zhǎng)壽命核廢物嬗變實(shí)驗(yàn)的大型試驗(yàn)裝置。法國(guó)對(duì)長(zhǎng)壽命核廢物嬗變的科研工作已經(jīng)進(jìn)行了15年，下一步要通過(guò)鳳凰堆從工業(yè)和技術(shù)角度開(kāi)展可行性研究，如輻照下嬗變裝置的性能等。鳳凰堆也是《第四代國(guó)際論壇》計(jì)劃的重要實(shí)驗(yàn)工具。該計(jì)劃旨在研究未來(lái)有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力、可使用鈾作燃料、能焚燒核廢物的反應(yīng)堆。08年前將完成6次輻照周期。3、鳳凰堆（Phenix）“超鳳凰”是世界上功率最大的快中子增殖反應(yīng)堆核電站，然而運(yùn)行以來(lái)，技術(shù)故障頻發(fā)，停停修修，總運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不過(guò)十幾個(gè)月?！俺P凰”在設(shè)計(jì)之初，投資預(yù)算為63億法郎，到1986年投產(chǎn)時(shí)，資金已追加到250億法郎，而且比預(yù)定投產(chǎn)時(shí)間推后了3年。4、超鳳凰堆（Phenix）

－法國(guó)池式鈉冷快堆1997年法國(guó)政府宣布將關(guān)閉位于法國(guó)里昂附近的歐洲“超鳳凰”堆核電站?！俺P凰”堆核電站由法國(guó)、德國(guó)、比利時(shí)和英國(guó)聯(lián)合修建，法國(guó)電力公司占有一半的股份。1976年開(kāi)始動(dòng)工，1986年并網(wǎng)發(fā)電。1998年關(guān)閉。

從開(kāi)始到97年，投資金額已高達(dá)416億法郎，無(wú)論電站運(yùn)轉(zhuǎn)與否，每年都要耗掉6．5億法郎?！俺P凰”核電站從興建之初到現(xiàn)在，圍繞著是否該修建一直爭(zhēng)論不休：支持者認(rèn)為，快堆利用資源豐富的钚作為燃料，

為開(kāi)發(fā)和利用新的能源開(kāi)辟了新領(lǐng)域。反對(duì)者則認(rèn)為保證安全的技術(shù)還不夠成熟。據(jù)有關(guān)部門預(yù)測(cè)，這項(xiàng)巨大的關(guān)閉工程將耗資100億到160億法郎左右。（實(shí)際數(shù)據(jù)不祥）4、超鳳凰堆（Phenix）5、文殊堆（MONJU）

－日本回路式鈉冷快堆

1994年運(yùn)行，回路式，300MWe。自1995年發(fā)生液鈉泄漏事故以來(lái)，現(xiàn)仍未恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。日本政府1997年6月宣布，要繼續(xù)推進(jìn)其開(kāi)發(fā)快堆和核燃料再循環(huán)計(jì)劃。2003年美國(guó)、法國(guó)、日本表示支持文殊快堆再啟動(dòng)。認(rèn)為：文殊快堆尤其能為快堆燃料提供輻照試驗(yàn)設(shè)施，并積累快堆技術(shù)的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。2007年由美國(guó)、法國(guó)和日本組成的核能研究機(jī)構(gòu)發(fā)表了一份聯(lián)合聲明,呼吁日本政府重新恢復(fù)運(yùn)行文殊原型快中子堆。資金問(wèn)題及居民反對(duì)使得恢復(fù)運(yùn)行艱難重重。5、文殊堆（MONJU）

TheReactorCore三種六角形組件

燃料組件,增殖組件,反射層組件：

中心紅色為燃料組件P-239＋U-238混合物;黃色也為燃料組件，含钚比中心略高。黑色為控制棒組件.蘭色為徑向增殖組件，只含

U-238，生產(chǎn)钚。

邊上布置反射層（鋼材料，未顯示），反射逃逸中子回堆芯。

六角型鋼制組件含169根鋼殼燃料棒

(d=6.5mm,l＝

2.8m).中心為93cm燃料區(qū)，含U-238andPu-239混合物，柱狀.

中心區(qū)上下為軸向增值層，只含

U-238，吸收中子生成

Pu-239.

棒的頂部為氣體空間。

棒密封防止放射性逸出。徑向增值棒與燃料棒相似，但只含U-238，略粗。燃料組件文殊快堆一回路鈉泵中間回?zé)崞鞫押诵脑O(shè)備設(shè)計(jì)復(fù)雜：1、吸收熱膨脹2、相變3、輔助設(shè)備多主循環(huán)鈉回路ReactortypeFastbreederreactor,Sodiumcooled(loop-type)Output714MWth,280MWe,3loopsFuelPlutonium-UraniummixedoxideCoreDimensions:.............Equivalentdiameter,height,Volume180cm(approx.),93cm,2340liters..........................Plutoniumenrichment(%Pufiss.)Inner/Outer16/21FuelMass:.............Core(U+Pumetal),blanket(Umetal)5.9t,17.5tAverageburn-up80000MWd/t(approx.),換料6months(approx.)Claddingtubedimensions.doou/thickness6.5mm/0.47mm,材料：SUS316Powerdensity275kW/lBlanketthicknessUpper/lower/radial30/35/30cmBreedingratio1.2approx.Primarysodiumtemp.Reactorinlet/outlet397°/529°CSecondarysodiumtemp.....IHXinlet/outlet325°/505°CReactorvesseldimensions....Height/diameter18/7mSteamPressureBeforemainstopvalve127kg/cm2RefuellingsystemSinglerotatingplugwithfixedarmfuelhandlingmachine文殊堆的技術(shù)參數(shù)日本快堆發(fā)展計(jì)劃CEFR是我國(guó)第一座快堆，65MWt、20MWe。池式堆2000年澆灌第一罐混凝土，2002年8月15日核島主廠房封頂，2004年完成施工設(shè)計(jì)，目前進(jìn)入全面安裝階段，調(diào)試已經(jīng)開(kāi)始，運(yùn)行準(zhǔn)備工作正在進(jìn)行，預(yù)計(jì)2008年12月首次臨界。6、中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆

－ChinaExperimentalFastReactor“CEFR”CEFR系統(tǒng)流程示意圖