快中子反應(yīng)堆課件

1什么是快堆？？

快堆，是“快中子反應(yīng)堆”的簡(jiǎn)稱(chēng)。其形成的核燃料閉合式循環(huán)，可使鈾資源利用率提高至60%以上，也可使核廢料產(chǎn)生量得到最大程度的降低，實(shí)現(xiàn)放射性廢物最小化。國(guó)際社會(huì)普遍認(rèn)為，發(fā)展和推廣快堆，可以從根本上解決世界能源的可持續(xù)發(fā)展和綠色發(fā)展問(wèn)題。2

在天然鈾中，僅有0.714%的鈾同位素——鈾－235，能夠在熱中子的作用下發(fā)生裂變反應(yīng)，而占天然鈾絕大

部分的鈾同素——鈾－238卻不能在熱中子的作用下發(fā)

生裂變反應(yīng)。

但鈾－238在吸收中子后，經(jīng)過(guò)幾次核衰變，可以變成另一種可裂變的核材料钚－239。

在熱中子反應(yīng)堆中，產(chǎn)生的钚－239的數(shù)量不足以

抵償消耗的鈾－235。只有利用快中子來(lái)維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，使新產(chǎn)生的可裂變材料多于消耗的裂變材料。這種主要由快中子來(lái)引起裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的反應(yīng)堆，叫做快中子反應(yīng)堆（簡(jiǎn)稱(chēng)快堆）。3快堆的原理快堆的原理快堆中常用的核燃料是钚—239，而钚—239發(fā)生裂變時(shí)放出來(lái)的快中子會(huì)被裝在反應(yīng)區(qū)周?chē)拟櫍?38吸收，又變成钚—239。這就是說(shuō)，在堆中一邊消耗钚—239，又一邊使鈾－238轉(zhuǎn)變成新的钚—239，而是新生的钚—239比消耗掉的還多，從而使堆中核燃料變多。反應(yīng)開(kāi)始循環(huán)持續(xù)下去。此過(guò)程包括钚—239-----------釋放快中子，轉(zhuǎn)變?yōu)閁235----------快中子擊中鈾－238-------鈾－

238轉(zhuǎn)變?yōu)轭小?39--------钚—239繼續(xù)放出快中子參與反應(yīng)4基本就是這個(gè)原理快中子5鈾235鈾238钚239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67鈉冷快堆的特點(diǎn)8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(lèi)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9鈉冷快堆的特點(diǎn)10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＋FBR

616GW池式及回路式鈉冷快堆11快堆的優(yōu)勢(shì)(1)、快堆不僅把鈾資源的有效利用率增大數(shù)十倍，而且也將鈾資源本身擴(kuò)大幾百倍以上。因?yàn)椋坏┐罅渴褂每於?，目前認(rèn)為開(kāi)采價(jià)值不大的鈾礦便具有開(kāi)采價(jià)值。這樣，快堆的利用就可能為人類(lèi)提供極其豐富的能源。12快堆的優(yōu)勢(shì)(2)、快堆核電站是熱中子堆核電站最好的繼續(xù)。核工業(yè)的發(fā)展堆積了大量的貧鈾（含鈾－235很少的鈾－238），快堆消耗的正是貧鈾。用貧鈾來(lái)發(fā)電，同時(shí)還增殖燃料，實(shí)在是一舉多得的好事。熱中子堆核電站發(fā)展到一定水平時(shí)，及時(shí)地引入快堆核電站，利用快堆來(lái)增殖核燃料，這是一個(gè)很必然的發(fā)展計(jì)劃。13快堆的優(yōu)勢(shì)(3)、快堆核電站具有良好的經(jīng)濟(jì)前景。因?yàn)樗哂性鲋澈巳剂系耐怀鰞?yōu)點(diǎn)，所以發(fā)電成本在燃料價(jià)格上漲的情況下，仍能保持較低的水乎。據(jù)估計(jì)，石油價(jià)格上漲

100%，油電站發(fā)電成本增加60%；天然鈾價(jià)格上漲100%，輕水堆核電站發(fā)電成本增加5%，而快堆的發(fā)電成本只增加

0.25%。14快堆的難處（1）在快堆中，由于快中子與核燃料中的原子核相互作用引起裂變的可能性要比熱中子小得多，為了使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能繼續(xù)進(jìn)行下去，所用核燃料的濃度（一般為12～30%）要比熱中子堆的高，裝料量也大得多。15快堆的難處（2）快堆活性區(qū)單位體積所含核燃料比熱中子堆大得多，它的功率密度比熱中子堆大幾倍，一般每升為400千瓦左右。這樣高的功率密度，要把熱量從堆內(nèi)取出加以應(yīng)用，這在技術(shù)上是比較復(fù)雜的。16快堆的難處3）快堆不能用水作冷卻劑，而普遍采用液態(tài)金屬鈉把熱量帶出來(lái)。此外，快堆用的燃料元件的加工制造要比熱中子堆復(fù)雜得多和困難得多，隨之而來(lái)的制造費(fèi)用高昂。17快堆的難處（4）同時(shí),快堆的控制就是控制中子的作用，由于快堆內(nèi)快中子壽命短，钚的緩發(fā)中子份額小，這就使得問(wèn)題復(fù)雜多了。并且，對(duì)反應(yīng)堆的操作系統(tǒng)保護(hù)的要求也很?chē)?yán)格。18191、PFR－池式鈉冷快堆

PFR

（UK）flow

sheet4x8MWt202、前蘇聯(lián)回路式鈉冷快堆

213、鳳凰堆（Phenix）－法國(guó)池式鈉冷快堆

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)224、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。1

9

7

6年開(kāi)始動(dòng)工，1

9

8

6年并網(wǎng)發(fā)電。1998年關(guān)閉?！俺P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6

3億法郎，到1

9

8

6

年投產(chǎn)時(shí)，資金已追加到2

5

0億法郎，而且比預(yù)定投產(chǎn)時(shí)間推后了3年。234、超鳳凰堆（Phenix）

從開(kāi)始到97年，投資金額已高達(dá)4

16

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(mén)預(yù)測(cè)，這項(xiàng)巨大的關(guān)閉工程將耗資1

0

0

億到1

6

0億法郎左右。（實(shí)際數(shù)據(jù)不祥）245、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。25三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。26前面5種反應(yīng)堆的總結(jié)?。?/p>

27國(guó)外的快堆，除了鳳凰堆以外，普遍不給力！-----文亦瑋286、中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆－China

Experimental

Fast

Reactor“CEFR”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(chǎng)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。29（2010年7月21日中核自主研發(fā)中國(guó)第一座快中子反應(yīng)堆首次成功臨界）CEFR系統(tǒng)流程示意圖14324567891088303132快堆與原子彈33相同點(diǎn)34原子彈和作為核電站用的快堆，都沒(méi)有慢化劑，而且都是用快中子引發(fā)裂變.不同點(diǎn)(1)原子彈使用钚或高濃鈾，鈾－238的量沒(méi)有或者很少。而快堆中鈾－238很多。鈾－238俘獲中子后大多不會(huì)裂變，它要轉(zhuǎn)化為钚－239后才易裂變。經(jīng)過(guò)這道轉(zhuǎn)換后，作為核電站用的快堆的能量釋放速度，就受到極大限制。35不同點(diǎn)(2)原子彈內(nèi)與裂變無(wú)關(guān)的材料少。而快堆為了維持長(zhǎng)期運(yùn)行，并將堆內(nèi)原子核裂變產(chǎn)生的熱送出來(lái)，堆內(nèi)有大量的結(jié)構(gòu)材料和冷卻劑。它們的存在既增加了中子的吸收，又使中子的速度有一定程度的慢化，延長(zhǎng)了中子存在時(shí)間。這是限制核電站用的快堆功率增長(zhǎng)速度的另一個(gè)因素。36不同點(diǎn)(3)原子彈采用高效炸藥的聚心爆炸，使核燃料很快密集在一起，將鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的規(guī)模急劇擴(kuò)大，也就是我們說(shuō)的達(dá)到瞬發(fā)超臨界狀態(tài)；而作為核電站用的快堆，只要一達(dá)到瞬發(fā)臨界，堆芯很快就會(huì)散開(kāi)，難以維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。目前的控制手段，已可以保證快堆不至于達(dá)到瞬發(fā)臨界。37不同點(diǎn)(4)原子彈的裝料超過(guò)維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)所需的量多，而快堆的裝料僅僅稍微多于維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的需要，并有負(fù)反饋效應(yīng)——有抑制作用的效應(yīng)。38結(jié)論39快堆不可能像原子彈那樣爆炸但是。。。。地震+海嘯=？

40加快快堆的建設(shè)是我國(guó)核電發(fā)展的唯一出路

鈾在核能發(fā)電中起著至關(guān)重要的作用，但是中國(guó)是個(gè)“貧鈾”的國(guó)家。我國(guó)的鈾礦礦體?。ǖV床規(guī)模以中小為主的占總儲(chǔ)量的60％以上），分布廣，且礦石品位偏低（即廢物量大）。而且中國(guó)現(xiàn)在已探明的鈾礦儲(chǔ)量只夠2020年鈾用量1/3的。這正是我國(guó)發(fā)展核電的一個(gè)巨大隱憂(yōu)！41加快快堆的建設(shè)是我國(guó)核電發(fā)展的唯一出路鈾作為一種枯竭資源，能維持多久還很成問(wèn)題。根據(jù)預(yù)測(cè)，全世界核電站在1996～2010年之間將消耗掉100萬(wàn)噸天然鈾，按照這個(gè)速度，（不考慮新建的核電站）預(yù)計(jì)到2030年，世界上易開(kāi)采的低成本鈾資源的80％都將被消耗掉。我國(guó)如果得不到足夠的鈾礦資源，不管建多少核電站，最終都將面臨停產(chǎn)的困境.42加快快堆的建設(shè)是我國(guó)核電發(fā)展的唯一出路由于熱堆在鈾資