先進(jìn)反應(yīng)堆系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)

李益

摘要：文章重點(diǎn)介紹一種先進(jìn)反應(yīng)堆系統(tǒng)的概念設(shè)想，此反應(yīng)堆系統(tǒng)是動(dòng)力堆，主要解決能源緊缺和核電站乏燃料的處理問題。該系統(tǒng)利用核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的巨大能量，采用溫差電、熱離子等熱電轉(zhuǎn)換裝置，將熱量直接轉(zhuǎn)換為電能。文章結(jié)合目前世界研究水平，提出了要將此反應(yīng)堆系統(tǒng)商業(yè)化所要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，并簡(jiǎn)單給出了此反應(yīng)堆系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的步驟和時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：反應(yīng)堆；乏燃料；核裂變

中圖分類號(hào)：TL323 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）16-0011-03

目前世界上運(yùn)行的動(dòng)力反應(yīng)堆系統(tǒng)，基本上是將裂變反應(yīng)產(chǎn)生的能量經(jīng)過冷卻劑加熱二回路（或三回路）水產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，其中能量轉(zhuǎn)換為核能轉(zhuǎn)換為熱能、熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。這樣使反應(yīng)堆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，復(fù)雜的系統(tǒng)給反應(yīng)堆動(dòng)力系統(tǒng)的安全帶來了巨大的挑戰(zhàn)，而多級(jí)能量傳遞帶來了核能利用率低的結(jié)果。同時(shí)目前核電發(fā)展遇到的極大挑戰(zhàn)不是技術(shù)問題，而是燃料供應(yīng)和廢物處理這兩個(gè)問題。為解決上述問題，本文提出了一種先進(jìn)動(dòng)力反應(yīng)堆系統(tǒng)，此反應(yīng)堆系統(tǒng)利用核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的巨大能量，采用溫差電、熱離子等熱電轉(zhuǎn)換裝置，將熱量直接轉(zhuǎn)換為電能，使反應(yīng)堆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，而堆芯內(nèi)部燃料為輕水反應(yīng)堆乏燃料或者貧鈾，利用快中子特性燃燒燃料產(chǎn)生核能，實(shí)現(xiàn)在線換料并且堆芯壽命長(zhǎng)，這樣大大簡(jiǎn)化堆芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增加安全性。由于該動(dòng)力反應(yīng)堆系統(tǒng)在燃料方面的優(yōu)越性，使得該動(dòng)力反應(yīng)堆系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性大大增加。此動(dòng)力反應(yīng)堆系統(tǒng)具有高燃耗、比功率高、低廢料產(chǎn)生、高經(jīng)濟(jì)性、在線換料、無核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)、高安全性、壽命長(zhǎng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等特點(diǎn)。

以目前運(yùn)行的成熟反應(yīng)堆系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在今后的20年中，完成該堆型傳熱試驗(yàn)、熱能高效轉(zhuǎn)化為電能實(shí)驗(yàn)、棒束傳熱試驗(yàn)、中子學(xué)驗(yàn)證試驗(yàn)、排散廢熱試驗(yàn)、材料選擇和性能研究、安全分析等。預(yù)計(jì)在2015年完成概念設(shè)計(jì)，建成原型堆，在2050年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

1 問題描述及該堆型基本原理

按目前鈾利用率估計(jì)現(xiàn)存鈾資源供應(yīng)年限大約為117年，按此速度在不久的將來核電將會(huì)面臨現(xiàn)在火電所面臨的資源短缺問題。但是目前輕水反應(yīng)堆的資源利用率很低，90%的鈾資源成為乏燃料而不能被合理利用。乏燃料中含有大量未用完的可增殖材料U238或Th232，未燒完的和新生成的易裂變材料Pu239、U235或U233以及核燃料在輻照過程中產(chǎn)生的镎、镅、鋦等超鈾元素，另外還有裂變?cè)豐r90、Cs137、Tc99等。如果將這些乏燃料合理利用，不僅能解決乏燃料存儲(chǔ)問題，同時(shí)還能為人類提供具大的能源。

按照預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，此反應(yīng)堆中子的有效利用率很高，因此此反應(yīng)堆可以用乏燃料或者貧鈾作為燃料。原理是U238在新燃料區(qū)吸收來自燃燒區(qū)泄露的中子，轉(zhuǎn)化為Pu239，這樣就形成了新的燃燒區(qū)。裂變反應(yīng)式如圖1所示：

因?yàn)樘烊烩櫴歉叨却闻R界的，因此U238需要吸收大量的中子而使反應(yīng)堆系統(tǒng)變?yōu)榕R界狀態(tài)。而此反應(yīng)堆系統(tǒng)具有很高的中子有效利用率，因此可以滿足上述條件。為此中子能量譜必須足夠的硬，也就是說有效中子能量必須足夠的高。隨著新燃料區(qū)吸收大量的中子核素進(jìn)行轉(zhuǎn)換，燃料燃耗就增加了，同時(shí)減緩了燃燒燃料的速度。如圖3所示為此反應(yīng)堆中核素變化和燃耗情況（此圖引自快堆材料，以作為理論基礎(chǔ)）。

2 反應(yīng)堆系統(tǒng)描述

該反應(yīng)堆系統(tǒng)利用核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的巨大能量，采用溫差電、熱離子等熱電轉(zhuǎn)換裝置，將熱量直接轉(zhuǎn)換為電能。它由核反應(yīng)堆（核能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽醾鬏斚到y(tǒng)（將熱量從堆芯導(dǎo)出）、熱能轉(zhuǎn)換為電能系統(tǒng)、剩余熱能排除系統(tǒng)、安全屏蔽、功率調(diào)節(jié)單元等組成。如圖4所示，為該堆型系統(tǒng)原理圖。

該系統(tǒng)直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，減少了熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的環(huán)節(jié)，有效提高了能源利用率。同時(shí)簡(jiǎn)化系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的安全性。

該反應(yīng)堆系統(tǒng)采用液態(tài)鋰/鈉冷卻工質(zhì)將熱量從堆芯傳遞到熱電轉(zhuǎn)換熱交換器，它包括高溫液態(tài)金屬泵，金屬氣體分離器，泵驅(qū)回路融化系統(tǒng)，此系統(tǒng)具備凍

結(jié)/融化能力。

在熱電轉(zhuǎn)化單元中，可以采用較為成熟的溫差電和熱離子等轉(zhuǎn)換方式，雖然效率很低（5%左右），但系統(tǒng)成熟可靠，可以串聯(lián)布置多個(gè)熱電轉(zhuǎn)化單元以提高熱電轉(zhuǎn)化效率。同時(shí)應(yīng)用新型高效熱電轉(zhuǎn)換方式，研發(fā)熱光伏、堿金屬等新型高效靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換技術(shù)以及斯特林、布雷頓、朗肯等高效動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)以提高熱電轉(zhuǎn)換效率。

再釋熱器同樣采用串聯(lián)布置多級(jí)釋熱裝置以將剩余熱能完全導(dǎo)出。而在此環(huán)節(jié)可有效地利用剩余熱量，例如供暖等。

核反應(yīng)堆是核能轉(zhuǎn)化熱能的重要裝置，此反應(yīng)堆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，反應(yīng)性保持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)在線換料，無核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)，因此安全性特別高。堆型采用壓力容器式，只有一個(gè)回路，這樣減少管道布置，堆型分布緊湊，可接多個(gè)環(huán)路以提高能量利用效率。圖4只是該系統(tǒng)的原理圖。在本堆型設(shè)計(jì)時(shí)，將核燃料、熱傳輸系統(tǒng)（將熱量從堆芯導(dǎo)出）一體化，全部集中在一個(gè)棒束上，堆內(nèi)均勻分布多組棒束。圖5為棒束分布示意圖（根據(jù)設(shè)計(jì)理念，用MCNP程序畫出的簡(jiǎn)圖，用以后期分析應(yīng)用）。裂變產(chǎn)生的巨大能量被鋰/鈉冷卻工質(zhì)帶出堆芯，傳遞給熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換交換器。

3 技術(shù)特性

該堆型先進(jìn)性包括：

（1）高燃耗，有利于核燃料利用。該堆型是快中子譜反應(yīng)堆，燃料是乏燃料或貧鈾，低廢物生產(chǎn)，不需要后處理，為解決乏燃料提供一種好方法。

（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化：由于本反應(yīng)堆系統(tǒng)只有一個(gè)回路，減少大量設(shè)備，從而使反應(yīng)堆和安全殼更加緊湊，壓力容器、安全殼、廠房都更小。與傳統(tǒng)堆型相比，取消了蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、二回路系統(tǒng)、汽輪機(jī)系統(tǒng)等。因此次堆型裝置流程簡(jiǎn)單，系統(tǒng)簡(jiǎn)化。

采用熱電轉(zhuǎn)換裝置，減少能量轉(zhuǎn)換過程，大大提高系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率。