快中子增殖堆

第五章：快中子增值堆一、快堆簡介二、鈉冷快堆的特點三、幾個典型鈉冷快堆四、鈉冷快堆的挑戰(zhàn)一、快堆簡介21座快堆，300堆年運行經(jīng)驗。

法國，前蘇聯(lián)建造和運行大型商用快堆。

基本全部關(guān)閉（有8座沒徹底關(guān)閉），日本（MOUJU）命運難測，三年內(nèi)計劃重新開啟。中國在建試驗快堆65MWth(20MWe,池式)

印度、韓國仍感興趣。印度政府已經(jīng)批準在英迪拉·甘地原子研究中心建造一座500MWt的原型快堆一、簡介40-50年代英、法、德、日、美、蘇等國優(yōu)先發(fā)展，重點為燃料增殖。

熔鹽，氣冷，鈉冷快堆。60年代注重經(jīng)濟性，用氧化物燃料（深燃耗，耐高溫，但氧有慢化作用）代替金屬燃料

70年代建原型堆：PFR（英國）、Phenix（法國）、BN－350（蘇聯(lián)）、SNR-300（德國）、CRBR（美國擬建），都是氧化物燃料＋不銹鋼結(jié)構(gòu)＋鈉冷80年代示范快堆：BN－600（蘇聯(lián)）、SuperPhenix（法國），試驗堆Joyo（日本常陽）1994年Monju（日本文殊）90年代后期，各國停止發(fā)展計劃，快堆發(fā)展進入低潮。二、鈉冷快堆的特點冷卻劑：早期用汞，鈉鉀合金現(xiàn)一致采用液態(tài)鈉

-運行溫度高：550°C（高效發(fā)電）

-運行壓力低：<0.5MPa（避免失壓、失冷）-冷卻劑熱容大：抗熱沖擊

-流動性好：利于自然循環(huán)被動載熱二、鈉冷快堆的特點?鈉冷卻劑：最好的熱工性能

-沸點高：883°C-熔點高：97.8°C

-導熱系數(shù)大

na400/

water20=100

-粘性小na500/

water20＝1/4

-密度小na400/

water20

=0.86

液態(tài)金屬鈉具有較高的傳熱特性很寬的溫度范圍內(nèi)保持為液態(tài)普朗特數(shù)很小1可以在很高的溫度下，在較小的溫差情況下移走大量的熱能2堆內(nèi)燃料元件的熱流很高，可以達到較高的比功率3由于熱鈉的熱導好，熱點因子也會減小，活性區(qū)內(nèi)溫度變化隨之降低，即使在熱沖擊的情況下，結(jié)構(gòu)變形的幾率也非常小。其熔點僅為97.8℃，沸點高達882.9℃。這樣使得快堆采用比較低的系統(tǒng)壓力就可以得到高的反應堆堆芯出口溫度。從而獲得較高的動力循環(huán)效率，而堆容器內(nèi)的壓力又不高，降低了造價，也就降低了發(fā)電成本。1與其它流體不同，在液態(tài)鈉流道內(nèi)的熱阻不是集中在層流底層或緩沖層內(nèi)，而是比較均勻的分布在整個截面上。2液鈉的高熱導使得邊界條件的影響達到更遠的范圍，因而流道的幾何形狀對液鈉的熱傳遞影響很大。由于分子熱導在整個流道中起著很重要的作用，流體中溫度分布與邊界的形狀有很大關(guān)系3湍流狀態(tài)的液鈉的熱入口效應比普通流體大的多，發(fā)熱面的熱流分布情況對傳熱系數(shù)有很大影響。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在中子輻照下有活性化學性質(zhì)活潑，與氧、水有激烈反應必須裝二回路不透明性溫度低于100°C（97.8°C)將冷凍二、鈉冷快堆的特點?二、鈉冷快堆的特點?裂變材料：钚－239，鈾－235轉(zhuǎn)換材料：鈾－238中子類型：快中子（0.08MeV）慢化劑：無堆結(jié)構(gòu)：回路式（16/21)，池式(5/21)三回路傳熱：鈉－鈉－水/蒸汽二、鈉冷快堆的特點?增值比大于1

1.24超鳳凰，（0.6壓水堆）裂變截面小，要求裝料多富集度高堆越小越高，中國試驗快堆65％，大型堆18%功率密度大超鳳凰270kW/L,PWR100kW/L，BWR50kW/L傳熱問題突出，燃料棒細（d＝6mm）發(fā)電效率高41.3%

蒸汽溫度/壓力＝490°C

/18MPa二、鈉冷快堆的特點?戰(zhàn)略意義:鈾資源充分利用PWR+FBR匹配發(fā)展，實現(xiàn)封閉燃料循環(huán)中國計劃：

-先發(fā)展PWR，積存工業(yè)钚。

-2025年建快堆，

-2050年P(guān)WR＋FBR616GW

二、鈉冷快堆的特點?焚燒長壽命錒系核素，環(huán)境保護

-處置技術(shù)保證數(shù)百年，

-但核素影響數(shù)百萬年

-錒系核素在快中子轟擊下裂變，其裂變產(chǎn)物在堆中在快中子作用下嬗變掉。池式及回路式鈉冷快堆ReactorNameCountryLocationCriticalityMWthMWeFuelCoolingSystemEBR-IUSAArco-Idaho19511.20.2U1loopBR5USSRObninsk19585.9-PuO2/UC2loopsDFRUKDounreay19596014UO224loopsEnricoFermiUSADetroit196330061U3loopsEBR-IIUSAArco-Idaho196362.520UpoolKNK-IIW.GermanyKarlsruhe1977-20PuO2-UO22loopsRapsodieFranceCadarache196740-PuO2-UO22loopsSEFORUSAArkansas196920-PuO2-UO21loopBOR60USSRMelekess19696012UO22loopsBN350USSRChevchenko19721000150PuO2-UO26loopsJoyoJapanOarai1977100-PuO2-UO22loopsPhenixFranceMarcoule1973560250PuO2-UO2poolPFRUKDounreay1974600250PuO2-UO2poolFFTFUSAHanford1980400-PuO2-UO23loopsBN600USSRBeloyarsk19801470600PuO2-UO2poolSuperphenixFranceCreys-Malville198529001200PuO2-UO2poolSNR300W.GermanyKalkar-----736312PuO2-UO23loopsMONJUJapanTsuruga1994714300PuO2-UO23loops世界快堆一覽三、幾個典型鈉冷快堆

PFR（UK）flowsheet4x8MWt1、PFR－池式鈉冷快堆2、前蘇聯(lián)回路式鈉冷快堆

1973建成,位于馬爾庫爾核研究中心，是法國研究長壽命核廢物管理的重要設施

250MWe.3回路（3SG模塊）

運行業(yè)績不錯

對燃料輻照、钚、錒系長放射性嬗變試驗。1999年開始全面檢修鳳凰堆2003年6月重新啟動。3、鳳凰堆（Phenix）

－法國池式鈉冷快堆根據(jù)新核安全法規(guī)，1999年開始全面檢修。主要包括防震設備加固、鈉火防護措施、堆芯結(jié)構(gòu)全面檢查、更換蒸汽發(fā)生器、檢測其它相關(guān)部件等。運行準備：為兩個二回路裝鈉，完成了嬗變實驗用堆芯的裝料、對控制棒重新鑒定試驗、檢查汽輪發(fā)電機和蒸汽回路等。歐洲唯一能夠有效開展長壽命核廢物嬗變實驗的大型試驗裝置。法國對長壽命核廢物嬗變的科研工作已經(jīng)進行了15年，下一步要通過鳳凰堆從工業(yè)和技術(shù)角度開展可行性研究，如輻照下嬗變裝置的性能等。鳳凰堆也是《第四代國際論壇》計劃的重要實驗工具。該計劃旨在研究未來有經(jīng)濟競爭力、可使用鈾作燃料、能焚燒核廢物的反應堆。08年前將完成6次輻照周期。3、鳳凰堆（Phenix）“超鳳凰”是世界上功率最大的快中子增殖反應堆核電站，然而運行以來，技術(shù)故障頻發(fā)，停停修修，總運轉(zhuǎn)時間不過十幾個月?！俺P凰”在設計之初，投資預算為63億法郎，到1986年投產(chǎn)時，資金已追加到250億法郎，而且比預定投產(chǎn)時間推后了3年。4、超鳳凰堆（Phenix）

－法國池式鈉冷快堆1997年法國政府宣布將關(guān)閉位于法國里昂附近的歐洲“超鳳凰”堆核電站?！俺P凰”堆核電站由法國、德國、比利時和英國聯(lián)合修建，法國電力公司占有一半的股份。1976年開始動工，1986年并網(wǎng)發(fā)電。1998年關(guān)閉。

從開始到97年，投資金額已高達416億法郎，無論電站運轉(zhuǎn)與否，每年都要耗掉6．5億法郎。“超鳳凰”核電站從興建之初到現(xiàn)在，圍繞著是否該修建一直爭論不休：支持者認為，快堆利用資源豐富的钚作為燃料，

為開發(fā)和利用新的能源開辟了新領域。反對者則認為保證安全的技術(shù)還不夠成熟。據(jù)有關(guān)部門預測，這項巨大的關(guān)閉工程將耗資100億到160億法郎左右。（實際數(shù)據(jù)不祥）4、超鳳凰堆（Phenix）5、文殊堆（MONJU）

－日本回路式鈉冷快堆

1994年運行，回路式，300MWe。自1995年發(fā)生液鈉泄漏事故以來，現(xiàn)仍未恢復運轉(zhuǎn)。日本政府1997年6月宣布，要繼續(xù)推進其開發(fā)快堆和核燃料再循環(huán)計劃。2003年美國、法國、日本表示支持文殊快堆再啟動。認為：文殊快堆尤其能為快堆燃料提供輻照試驗設施，并積累快堆技術(shù)的開發(fā)經(jīng)驗。2007年由美國、法國和日本組成的核能研究機構(gòu)發(fā)表了一份聯(lián)合聲明,呼吁日本政府重新恢復運行文殊原型快中子堆。資金問題及居民反對使得恢復運行艱難重重。5、文殊堆（MONJU）

TheReactorCore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。

六角型鋼制組件含169根鋼殼燃料棒

(d=6.5mm,l＝

2.8m).中心為93cm燃料區(qū)，含U-238andPu-239混合物，柱狀.

中心區(qū)上下為軸向增值層，只含

U-238，吸收中子生成

Pu-239.

棒的頂部為氣體空間。

棒密封防止放射性逸出。徑向增值棒與燃料棒相似，但只含U-238，略粗。燃料組件文殊快堆一回路鈉泵中間回熱器堆核心設備設計復雜：1、吸收熱膨脹2、相變3、輔助設備多主循環(huán)鈉回路ReactortypeFastbreederreactor,Sodiumcooled(loop-type)Output714MWth,280MWe,3loopsFuelPlutonium-UraniummixedoxideCoreDimensions:.............Equivalentdiameter,height,Volume180cm(approx.),93cm,2340liters..........................Plutoniumenrichment(%Pufiss.)Inner/Outer16/21FuelMass:.............Core(U+Pumetal),blanket(Umetal)5.9t,17.5tAverageburn-up80000MWd/t(approx.),換料6months(approx.)Claddingtubedimensions.doou/thickness6.5mm/0.47mm,材料：SUS316Powerdensity275kW/lBlanketthicknessUpper/lower/radial30/35/30cmBreedingratio1.2approx.Primarysodiumtemp.Reactorinlet/outlet397°/529°CSecondarysodiumtemp.....IHXinlet/outlet325°/505°CReactorvesseldimensions....Height/diameter18/7mSteamPressureBeforemainstopvalve127kg/cm2RefuellingsystemSinglerotatingplugwithfixedarmfuelhandlingmachine文殊堆的技術(shù)參數(shù)日本快堆發(fā)展計劃CEFR是我國第一座快堆，65MWt、20MWe。池式堆2000年澆灌第一罐混凝土，2002年8月15日核島主廠房封頂，2004年完成施工設計，目前進入全面安裝階段，調(diào)試已經(jīng)開始，運行準備工作正在進行，預計2008年12月首次臨界。6、中國實驗快堆

－ChinaExperimentalFastReactor“CEFR”CEFR系統(tǒng)流程示意圖