國外鉛鉍堆發(fā)展及軍事應(yīng)用

鉛鉍堆具有固有安全、易小型化、可持續(xù)性好等顯著優(yōu)勢(shì)，是先進(jìn)核能系統(tǒng)的重要研究方向，在世界范圍內(nèi)積累了大量的研究經(jīng)驗(yàn)和成果。鉛鉍堆軍事應(yīng)用前景廣闊，具有作為小型高功率電源為偏遠(yuǎn)軍事基地供電、供熱的潛力。

1 國外鉛鉍堆研發(fā)與應(yīng)用

1.1 俄羅斯SVBR-75/100反應(yīng)堆研發(fā)進(jìn)展

SVBR-75/100反應(yīng)堆是俄羅斯開發(fā)的小型模塊化液態(tài)鉛鉍合金冷卻快堆。它以核潛艇液態(tài)鉛鉍合金冷卻反應(yīng)堆技術(shù)為依據(jù)，建立在經(jīng)實(shí)踐證實(shí)的技術(shù)規(guī)范基礎(chǔ)上，是第四代核能論壇承認(rèn)的先進(jìn)核能系統(tǒng)之一。SVBR-75/100型核電機(jī)組電功率75～100MW，使用鉛鉍合金冷卻劑，系統(tǒng)簡單、安全性能卓越，工藝技術(shù)基礎(chǔ)扎實(shí)，可用于發(fā)電、供熱和海水淡化。

SVBR-75/100采用保守設(shè)計(jì)理念，采用經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的主回路和二回路設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)、成熟的燃料和結(jié)構(gòu)材料技術(shù)。設(shè)備部件和反應(yīng)堆冷卻劑循環(huán)流程采用具有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的工程設(shè)計(jì)。保守的設(shè)計(jì)理念保證該型反應(yīng)堆最大程度使用潛艇鉛鉍冷卻堆的成熟技術(shù)，進(jìn)行小范圍的設(shè)計(jì)改進(jìn)，降低成本和風(fēng)險(xiǎn)，并且有利于保證反應(yīng)堆裝置的可靠性和安全性。SVBR-75/100的主要安全目標(biāo)包括：

· 沒有堆芯熔化的可能性，任何事故條件引起的放射性釋放均可以忽略不計(jì)；

· 任何異常狀態(tài)下，均能夠迅速以非能動(dòng)的方式停堆；

· 反應(yīng)堆可自然循環(huán)冷卻，沒有時(shí)間限制；

· 冷卻劑過熱的情況下壓力不增高，沒有超壓和反應(yīng)堆熱爆炸的危險(xiǎn)。

1.2 美國模塊化鉛鉍堆概念設(shè)計(jì)研發(fā)進(jìn)展

美國鉛冷反應(yīng)堆是在能源部第四代反應(yīng)堆計(jì)劃支持下開展的。阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室開展小型模塊化鉛冷反應(yīng)堆設(shè)計(jì)工作，提出STAR-LM鉛鉍堆和SSTAR鉛冷堆概念設(shè)計(jì)。

STAR-LM是美國提出的采用自然循環(huán)設(shè)計(jì)的模塊化鉛鉍堆概念，使用超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)取代了傳統(tǒng)的朗肯蒸汽循環(huán)進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)理念是利用鉛冷卻劑不活潑的性質(zhì)，取消鈉冷快堆中的中間一級(jí)熱交換。STAR-LM堆芯壽命長，設(shè)計(jì)壽命為15～30年。反應(yīng)堆具有反應(yīng)性負(fù)反饋特性，在堆芯喪失導(dǎo)熱能力的情況下，堆芯功率能夠非能動(dòng)地降至低衰變熱水平。

SSTAR反應(yīng)堆是在STAR-LM設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的可以在運(yùn)輸容器中運(yùn)輸?shù)男⌒湍K堆，設(shè)計(jì)概念是帶有一個(gè)小型可裝運(yùn)反應(yīng)堆容器的自然循環(huán)池型反應(yīng)堆。SSTAR充分結(jié)合鉛冷卻劑、超鈾氮化物燃料的優(yōu)點(diǎn)，并利用超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)實(shí)現(xiàn)44%的熱電轉(zhuǎn)換效率。

1.3 日本鉛鉍堆研發(fā)進(jìn)展

日本鉛鉍快堆的典型設(shè)計(jì)是東京工業(yè)大學(xué)2004年提出的鉛鉍冷卻直接接觸沸水快堆(PBWFR)，最大的特點(diǎn)是蒸汽產(chǎn)生方式，水與堆芯上方的鉛鉍冷卻劑直接接觸，受熱產(chǎn)生蒸汽。PBWFR反應(yīng)堆在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用前面臨一系列挑戰(zhàn)，如需進(jìn)行安全評(píng)價(jià)、突破一系列鉛鉍堆關(guān)鍵技術(shù)等。

2 鉛鉍堆軍事應(yīng)用前景

2.1 鉛鉍堆技術(shù)特點(diǎn)

總體來講，鉛鉍堆具有固有安全、易小型化、可持續(xù)性好等特點(diǎn)。

鉛鉍堆的固有安全性主要表現(xiàn)在由鉛鉍合金的一系列物理特性、化學(xué)特性、中子學(xué)性能帶來的特性。鉛鉍材料作為冷卻劑具有反應(yīng)性負(fù)反饋系數(shù)；反應(yīng)堆在嚴(yán)重事故下能夠僅通過自然循環(huán)排出堆芯余熱，大幅降低堆芯熔化事故風(fēng)險(xiǎn)；反應(yīng)堆在常壓下運(yùn)行，不易喪失冷卻劑；鉛鉍合金沸點(diǎn)很高，不會(huì)因冷卻劑沸騰影響傳熱效果從而發(fā)生堆芯熔化事故；鉛鉍合金化學(xué)穩(wěn)定性好，基本為惰性，幾乎不與水和空氣反應(yīng)，不存在鋯水反應(yīng)氫氣爆炸事故風(fēng)險(xiǎn)；鉛鉍材料的γ屏蔽性能優(yōu)異，能夠顯著減少反應(yīng)堆輻射屏蔽系統(tǒng)體積。鉛鉍材料主系統(tǒng)為常壓，其組成與相關(guān)配套設(shè)施可以設(shè)計(jì)得較為簡單，布局更加緊湊，易于實(shí)現(xiàn)小型模塊化制造。

2.2 鉛鉍堆軍事應(yīng)用可行性

鉛鉍堆可以作為優(yōu)秀的小型化高功率能源供應(yīng)系統(tǒng)，配合微電網(wǎng)或獨(dú)立實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)軍事基地供電。微電網(wǎng)由多個(gè)分布式電源及其相關(guān)負(fù)載組成，可通過靜態(tài)開關(guān)關(guān)聯(lián)至大電網(wǎng),也可孤立運(yùn)行，非常適合作為偏遠(yuǎn)軍事基地供電方案。鉛鉍堆較高的固有安全水平能夠?qū)⑵渫瑫r(shí)用于供電和產(chǎn)熱，消除了在出現(xiàn)人員失誤、設(shè)備故障或兩種情況同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，或遭遇恐怖襲擊時(shí)，發(fā)生嚴(yán)重事故的可能性.

俄羅斯的成功經(jīng)驗(yàn)證明了鉛鉍堆作為艦船/潛艇的動(dòng)力具有很多優(yōu)良特性，由于鉛鉍反應(yīng)堆自然循環(huán)能力強(qiáng)，在潛艇/船舶巡航時(shí)可以直接采用自然循環(huán)而不依賴泵的驅(qū)動(dòng)，從而降低機(jī)械噪音，提高可靠性和隱蔽性。

3 鉛鉍堆關(guān)鍵技術(shù)

高溫條件下液態(tài)鉛鉍合金具有強(qiáng)腐蝕性，可能引起反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料和燃料元件的腐蝕損壞；反應(yīng)堆停堆后液態(tài)鉛鉍合金會(huì)凝固，需要進(jìn)行解凍。由于鉛鉍堆冷卻劑性質(zhì)特殊，冷卻劑相關(guān)技術(shù)是鉛鉍堆研發(fā)的重點(diǎn)。

3.1 冷卻劑成分控制與純化技術(shù)

鉛鉍合金的制備中會(huì)引入銀、銅、錫等雜質(zhì)元素。在鉛鉍堆服役過程中，反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料與鉛鉍合金接觸，在不同的氧濃度下，也會(huì)出現(xiàn)溶解腐蝕和氧化腐蝕。

冷卻劑純化技術(shù)是鉛鉍堆的核心技術(shù)之一，目前國際上主要采用在線凈化的方法，大致分為三類：第一類是用氫氣或活潑金屬還原金屬氧化物，把氧化物還原為金屬；第二類是通過將液態(tài)金屬中的氧濃度控制在一定范圍內(nèi)，在結(jié)構(gòu)材料表面生成氧化物薄膜；第三類是將固相不溶雜質(zhì)從液態(tài)金屬中分離出來捕集沉積。

3.2 冷卻劑的材料相容性

高溫條件下液態(tài)鉛鉍合金具有強(qiáng)腐蝕性，在反應(yīng)堆運(yùn)行過程中可能引起反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料和燃料元件損壞，鉛鉍合金的材料相容性對(duì)于反應(yīng)堆的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

鉛鉍冷卻劑對(duì)結(jié)構(gòu)鋼材料的腐蝕程度是由鋼材料在液態(tài)金屬的溶解度決定的。目前的研究表明，在鐵素體鋼和奧氏體鋼中融入氧，則不會(huì)產(chǎn)生腐蝕。俄羅斯通過采用特殊的煉鋼法，預(yù)先涂上保護(hù)膜，并在鉛鉍冷卻劑中保持阻蝕劑溶氧必要的濃度，從而保證了結(jié)構(gòu)材料的耐蝕性。

3.3 冷卻劑氧濃度控制技術(shù)

鉛鉍冷卻劑氧濃度控制是實(shí)現(xiàn)冷卻劑純化和延緩、防止結(jié)構(gòu)材料腐蝕的重要手段。

目前國際上廣泛研究的液態(tài)鉛鉍氧控技術(shù)主要有固相和氣相兩種方式，其中氣相氧控在回路中應(yīng)用較普遍。氣相氧控技術(shù)是利用注入反應(yīng)氣體的物理化學(xué)反應(yīng)來控制液態(tài)鉛鉍中溶解氧濃度的方法，采用氬/氫氣/氧氣三元?dú)怏w實(shí)現(xiàn)控氧。固相氧控技術(shù)主要通過固體質(zhì)量交換來實(shí)現(xiàn)，在液態(tài)鉛鉍循環(huán)系統(tǒng)冷端支路上安裝內(nèi)置固相氧化鉛固體顆粒的質(zhì)量交換器，調(diào)節(jié)流經(jīng)冷卻劑的溫度、流速、時(shí)間來控制氧化鉛的溶解和析出，調(diào)節(jié)液態(tài)鉛鉍中的氧濃度。

3.4 冷卻劑流動(dòng)和傳熱特性

液態(tài)鉛鉍合金是一種高溫不透明流體，常用的光學(xué)類速度場測量方法不再適用。目前國外主要采用基于超聲波測速超聲多普勒技術(shù)，能夠測量溫度達(dá)350℃的鉛鉍合金流速，該技術(shù)具有非侵入式測量方法的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，不會(huì)干擾流場。

3.5 冷卻劑解凍技術(shù)

在反應(yīng)堆停堆或功率變化后，溫度降低可能會(huì)導(dǎo)致液態(tài)鉛鉍合金在管道和設(shè)備內(nèi)凝結(jié)，需要對(duì)冷卻劑進(jìn)行解凍。

采用的措施是鉛鉍堆二回路使用多重循環(huán)蒸汽發(fā)生器、蒸汽發(fā)生器的進(jìn)水溫度高于鉛鉍冷卻劑的熔點(diǎn)，二回路設(shè)置旁路管道加熱一回路鉛鉍冷卻劑，同時(shí)采用蒸汽或電加熱系統(tǒng)對(duì)鉛鉍冷卻劑進(jìn)行加熱，使其保持液態(tài)。

3.6 控制釙-210生成與屏蔽技術(shù)

鉛鉍合金特別是鉍經(jīng)中子輻照會(huì)產(chǎn)生易揮發(fā)且強(qiáng)放射性核素釙-210。釙-210的產(chǎn)生極大地增加了鉛鉍快堆的運(yùn)行和維修難度?？刂漆?210生成主要通過保持輻照后的鉛鉍冷卻劑密封、避免與空氣接觸以及采用吸附劑對(duì)釙進(jìn)行吸附的方法來實(shí)現(xiàn)。

4 小結(jié)與啟示

俄羅斯最早將鉛鉍堆應(yīng)用于核動(dòng)力潛艇，已積累近百堆年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)入21世紀(jì)以來積極將鉛鉍堆用于商業(yè)核電站，研發(fā)和建造試驗(yàn)性的SVBR-100反應(yīng)堆。美國在能源部第四代反應(yīng)堆研究計(jì)劃支持下開展了小型模塊化鉛冷反應(yīng)堆SSTAR的研究和概念設(shè)計(jì)工作。目前各國正在研究突破一系列鉛鉍堆關(guān)鍵技術(shù)并開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

鉛鉍堆可以作為優(yōu)秀的小型化高功率能源供應(yīng)系統(tǒng)，配合微電網(wǎng)或獨(dú)立實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)軍事基地供電和供熱。鉛鉍堆具有固有安全性，可以靈活移動(dòng)，方便滿足軍事基地的不同供電需求。