美國鉛冷快堆研究進展

陶舒暢 賴建永 秦婧 葉竹 蘇桐

摘 要

鉛冷快堆由于其高安全性和高經(jīng)濟性優(yōu)勢，已成為國內(nèi)外核能應用領(lǐng)域的重點發(fā)展堆型。另外，該型反應堆基于其優(yōu)越的堆芯能譜、功率密度以及與金屬燃料如UZr合金的良好匹配等特點，是發(fā)展結(jié)合干法后處理的閉式燃料循環(huán)的理想對象。美國對鉛冷快堆的研究起步較早，但受制于材料腐蝕問題，相關(guān)研究一度中止。隨著該問題的解決，美國于21世紀初重啟鉛冷快堆的研究。憑借強大的實力，美國在小型自然循環(huán)鉛冷快堆的研發(fā)方面很快處于國際領(lǐng)先地位。本文介紹了美國從事鉛冷快堆研究的機構(gòu)情況，并對美國在該領(lǐng)域的研究進展進行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞

鉛冷快堆;美國;研究進展

中圖分類號： TL433 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 79

0 前言

20世紀50年代初，美國啟動了潛艇（NS）核動力裝置（NPI）的開發(fā)工作。因鈉具有較好的熱工水力特性，在美國被用作液態(tài)金屬冷卻劑，并以此建設了核動力裝置的地面試驗設備原型以及“海狼級”試驗核潛艇。然而，運行經(jīng)驗表明，鈉在氧氣和水中化學性質(zhì)十分活潑，作為冷卻劑并不理想。經(jīng)過數(shù)次鈉/水反應事故后，反應堆設施與艙室一同被拆除，并采用壓水反應堆設施取而代之。雖然美國也進行了鉛鉍冷卻劑的研發(fā)工作，然而在結(jié)構(gòu)材料耐腐蝕性，冷卻劑質(zhì)量控制和維護問題等方面并沒有取得突破成果，因此停止了鉛冷快堆的研究。

隨著世界上大量鈾礦資源的發(fā)現(xiàn)與開采，鈾礦資料總量得到大幅度提高，因此快堆的燃料增殖顯得不再如過去那么緊迫，更為重要的是，隨著近10-15年材料領(lǐng)域的發(fā)展，歐洲科學家已經(jīng)證明，不需要過多地依賴氧控系統(tǒng)也可以實現(xiàn)對鉛腐蝕的控制。俄羅斯在鉛冷堆軍用領(lǐng)域取得的巨大成就，更進一步激發(fā)了美國對鉛冷快堆的重視。從1997年開始至今，美國一些科研機構(gòu)重新開始了一些鉛冷快堆的研究。2000年，美國能源部重新啟動鉛冷快堆研究計劃，分別設立了針對核廢料嬗變處理的鉛鉍快堆ABR項目和針對先進核能系統(tǒng)開發(fā)的小型模塊化鉛冷快堆SSTAR項目。在ABR項目和SSTAR項目，美國均選擇了自然循環(huán)冷卻的技術(shù)路線，并開展了較為深入的研究。西屋公司近年來在實驗快堆的研究基礎(chǔ)上，提出熱功率為500MWth（210MWe）的示范鉛冷快堆概念。目前，美國在小型自然循環(huán)鉛冷快堆的研發(fā)方面處于國際領(lǐng)先地位[1-3]。

1 美國的主要研究機構(gòu)及研究內(nèi)容

1.1 國家實驗室

1.1.1 勞倫斯伯克利國家實驗室

2005年，美國在第四屆國際核能論壇框架協(xié)議的基礎(chǔ)上成立了鉛冷快堆研發(fā)臨時指導委員會，該委員會編制了鉛冷快堆研發(fā)計劃。該堆為小型便攜式反應堆，以鉛作為冷卻劑，鉛鉍作為備用冷卻劑，功率在10-100MWe之間，并且具有較長的換料周期。在該研發(fā)規(guī)劃的指導下，美國勞倫斯伯克利國家實驗室設計研發(fā)了一款小型、密封、便攜式自控反應堆（SSTAR），該堆是一款具有固有安全性的快中子增殖反應堆，使用鈾-235及鈾-238作為燃料，部分核燃料會因裂變反應而消耗，另一部分會捕捉反應所產(chǎn)生的快中子進而轉(zhuǎn)換為钚燃料。該類型反應堆設計年限為30年，電功率為10MW至100MW。該反應堆可替代當今的輕水反應堆，并可出口至發(fā)展中國家，在租借國使用反應堆數(shù)十年后將整個裝置運回制造國。

1.1.2 洛斯·阿拉莫斯國家試驗室

洛斯阿拉莫斯國家實驗室進行了鋼鐵在鉛鉍合金中的腐蝕狀況的實驗研究，并建立了腐蝕的動力學模型。

1.1.3 美國愛達荷國家工程和環(huán)境實驗室

在美國愛德華國家工程和環(huán)境實驗室，研究人員進行了使用化學緩沖系統(tǒng)來維持氧的含量以緩解鋼材料的鉛的腐蝕方面的研究。另外，研究人員還對水冷堆的分析程序進行改進，以便將其用于鉛冷快堆研究分析。

1.2 大學及公司

1.2.1 內(nèi)華達大學拉斯維加斯分校

內(nèi)華達大學拉斯維加斯分校搭建了鉛鉍回路，并進行了鉛鉍合金的化學檢測與控制、氧濃度傳感器驗證、鉛鉍凈化工藝的開發(fā)和氧控系統(tǒng)的研究工作。

1.2.2 麻省理工學院

麻省理工學院開展了減緩合金材料腐蝕速率的研究工作。麻省理工學院同時開展功能梯度復合材料開發(fā)工作，以及對F91鋼材和鐵鉻鋁（Fe-12Cr-2Si）合金展開的測試工作。

1.2.3 西屋公司

2015年10月8日，西屋公司宣布尋求與美國能源部合作，進行下一代核能系統(tǒng)的研發(fā)。西屋公司認為，鉛冷快堆系統(tǒng)（LFR）將在能源的可持續(xù)利用、安全性和應用靈活性上達到新的高度。西屋公司向美國能源部提交了研發(fā)鉛冷快堆的項目建議書，希望獲得美國能源部的資金支持，并計劃在2035年建成鉛冷快堆。西屋的鉛冷快堆項目團隊包括國家實驗室成員、大學和私人部門鉛冷快堆領(lǐng)域的專家學者。該團隊計劃改進現(xiàn)在第四代鉛冷堆技術(shù)，并且設計新的第四代堆核燃料，使其在經(jīng)濟上更有競爭力。

2 美國正在開展的鉛冷快堆項目

2.1 ABR項目

2000年，美國啟動ABR項目，由愛達荷國家工程和環(huán)境實驗室和麻省理工學院聯(lián)合研究，主要開展用于嬗變錒系元素的鉛鉍快堆的基礎(chǔ)科學研究。在ABR項目中，所設計的反應堆熱功率為700MWt，電功率為300MWe，候選燃料為氮化物燃料和金屬燃料，二回路采用超臨界CO2布雷頓循環(huán)。研究人員針對ABR反應堆開展了乏燃料嬗變性能、反應堆熱工水力特性、材料腐燭機理、鉛鉍活化特性以及反應堆經(jīng)濟可行性和工程可行性等方面的研究，相關(guān)研究成果匯集成3份年度研究報告，并公開發(fā)布。