钠冷快堆 附第四代核能系统与钠冷快堆概论下载

中国实验快堆模型（图源：百度）

      钠冷快堆对于缓解日渐紧张的核燃料供应，解决核废料污染缓解的问题有着重大意义。1986年，我国出台了“国家高技术研究发展计划”（简称863计划），计划中就包含了中国实验快堆这一项目。中国实验快堆位于北京西南郊的中国原子能科学研究院，于1992年获得国务院批准立项，2011年成功并网发电，是我国第一座快堆。03

       传统核反应堆主要利用铀235的裂变产生的链式反应来产生能量。

        在铀235原子的链式反应中，一个铀235原子吸收中子后发生裂变，产生2~3个中子，新产生的中子继续与其他铀235原子反应，形成指数级加强的反应。

链式反应示意图

       然而，现实中的铀燃料中总是含有一部分的铀238。铀235裂变后产生的中子中，一部分是能量较大、速度较快的快中子，另一部分为能量较低、速度较慢的热中子。

       快中子能够与铀238反应而裂变，但是裂变产生出的中子却是热中子，铀238无法与热中子发生裂变反应，这导致了铀238无法支撑链式反应，技术上想要利用铀238的裂变反应十分困难。但是铀238可以缓慢地吸收能量较低的中子，经过一系列衰变转化为钚239。

       而铀235容易和热中子发生裂变反应，不容易与快中子发生反应，如果使用慢化剂将反应产生的快中子变为热中子，既可以减少中子与铀238的反应，也可以增加中子与铀235的反应，提高反应中中子的利用率，让铀235浓度较低的核燃料也可以用于反应堆发电。因此，现今主要的反应堆主要利用铀235与热中子的反应。

铀235在中子能量较低时更易裂变

      然而，在自然界中存在的三种铀同位素中，铀235只占了0.7%，其余的铀几乎都是铀238，铀235资源的短缺限制了核能的发展。并且，铀235的裂变反应会使核燃料中的铀238转化为钚239。钚239逐渐积累，产生了大量的乏燃料，这些乏燃料无法再作为传统热中子反应堆的燃料，带来严峻的环境污染问题。

        乏燃料中积累的钚239无法与热中子反应，但是却可以和快中子产生裂变反应，同时，如果将铀238放置在钚239反应区的外围，那么铀238就可以捕获反应产生的中子，并且经过衰变转化为钚239，甚至可以实现由铀238转变得到的钚大于裂变所消耗的钚，实现核燃料增殖。

钠冷快堆结构示意图（图源：百度）

        同时，由于钚239的核裂变反应放热速率较大，传统的冷却剂无法将裂变反应产生的热量充分带出。而金属钠沸点高，可以在较高的温度下保持液态，不易产生钠气泡，让液态钠的导热率比水高数百倍，同时，钠对于中子的慢化效果较弱，使得快中子损失较少，是一种较为合适的冷却剂。除此之外，也有其他种类快堆选用液态铅、氦气等作为冷却剂，但目前，钠冷快堆的技术最成熟，最接近商用。

        利用快中子与钚239的裂变反应与铀238转化为钚239的反应，可以很大程度上缓解核废料污染与铀235资源枯竭的问题，对于可持续利用核能，引导核能成为彻底的清洁能源有着重大意义。04

钠的沸点较高，液态钠有很强的导热以及储热能力，可以保证堆芯和燃料不会过热。在核电站事故发生时，回路内的液态钠会大量接收从堆芯导出的剩余热量，有助于为事故的处理争取足够充分的时间。对于突发性的事故有着很强的适应能力。而钠冷快堆基本是在常压下运行,给反应堆的设计带来了很大的优势。

        另一方面，钠与中子发生反应生成的产物半衰期均较低，并且衰变产生的射线也很容易被屏蔽，产生的放射性污染很小。

钠冷快堆的非能动余热排出系统[2]

       钠是一种化学形式活泼的金属，能够与水、氧气反应。如何防止钠的燃烧或者爆炸事故，是钠冷快堆设计的一项重要内容。以中国实验快堆（简称CEFR）为例。由于微粒状钠在120℃以下时会与空气反应发生爆燃，CEFR在所有钠系统外围设置保温层，保证基本不会发生钠爆燃事故，同时为了以防万一，发生钠的泄漏事故时，采用铺设在钠系统下方的钠接收盘，确保大部分钠不会燃烧。而对于钠与水的反应，CEFR采用及其灵敏的氢气检测系统，如果检测到了氢气，如果经确认的确是由钠与水反应产生，则会进行停堆维修。对于钠或水大量泄漏的情况，还会启用专门的保护系统，隔离水与钠，并且执行停堆。05