快中子堆(簡稱快堆)是主要以平均中子能量0.08~0.1MeV的快中子引起裂變鏈式反應的反應堆??熘凶佣训闹饕攸c是,在熱功率約100MW以上的堆運行時,新產生的易裂變核燃料钚能多于消耗掉的钚,即增殖比大于1,易裂變核燃料得到增殖,因此又稱為快中子增殖反應堆。運行中真正消耗的是天然鈾中不易裂變且豐度占99.2%以上的鈾-238??於训姆θ剂辖浐筇幚?,钚返回堆內再燒,多余的钚則用于裝載新的快堆。如此封閉并無限次循環則對鈾資源的利用率可從單單發展壓水堆的1%左右提高到60~70%。由于利用率的提高,更貧的鈾礦也值得開采,這樣世界可采鈾資源將增千倍。
在熱中子反應堆運行時,會產生長壽命次量錒系核素(MA),其產量約為所產工業钚的1/10。它們需要衰變三、四百萬年才能將其放射性毒性降到天然鈾的水平。但這些核素在快中子場中可以裂變成一般裂變產物,因此,可用快中子焚燒堆將它們裂變掉,獲得裂變能,達到變害為利。
所以快堆在閉式核燃料循環系統支持下,可使我國核能實現長期可持續地安全供應。
在1965-1986年快堆技術基礎研究和1987-1993應用基礎研究的基礎上,九十年代初我國快堆技術發展開始進入工程發展階段。中國實驗快堆(CEFR)就是我國快堆工程技術發展的第一步。設計、建造CEFR的目的是積累快堆電站的設計、建造、運行和維護經驗;運行后作為快中子輻照裝置,輻照考驗燃料和材料,為快堆工程的進一步發展服務。
具體任務是:
1) 建成一座安全可靠的實驗快堆;
2) 收集、編制一套快堆設計規范、標準;
3) 開發、編制一套快堆核數據、堆芯中子學、屏蔽、熱工流體、元件、回路、力學、安全等專業的程序包;
4) 培養一支快堆設計、研究和管理的專業隊伍。
設計原則是:
1) 技術方案應有商用前景
2) 熱工參數應接近商用快堆
3) 充分利用快堆的固有安全性
4) 反應堆應盡量設計成具有非能動安全性
5) 利用包括國外的成熟技術
設計簡介和主要設計參數
(1) 反應堆堆芯
CEFR堆芯,如圖1所示,它包括81盒燃料組件,3盒補償棒組件、2盒調節棒組件和3盒安全棒組件,337盒不同形式的不銹鋼組件和230盒B4C屏蔽組件,另有56個供乏燃料初步貯存的位置。
圖1 CEFR堆芯布置
燃料組件是外對邊59mm,壁厚1.2mm的六角型盒內裝61根直徑為6mm的元件棒,外用0.95直徑的繞絲定位,燃料芯塊直徑為5.2mm。燃料組件全長2.592m,上部設有操作用的錐型抓頭,下部是既作定位又作徑向引入鈉冷卻劑的管腳,見圖2。
圖2 CEFR燃料組件
燃料段長度為450mm,等效堆芯直徑600mm,補償棒組件和調節棒組件組成第一停堆系統,安全棒組成第二停堆系統。
(2) 堆本體和燃料操作系統
CEFR一回路系統采用了池式結構,堆本體由一個直徑8.01m下部支撐的大鈉池即主容器、保護容器、雙旋塞、兩臺主鈉泵、柵板聯箱及堆芯、四臺中間熱交換器、兩臺事故余熱導出系統的獨立熱交換器,堆內燃料操作系統及堆內構件等組成(見圖3),內裝由Ar作為覆蓋氣體的260噸液態鈉,堆本體總重約1200噸。
圖3 中國實驗快堆堆本體
正常運行時覆蓋氣體的壓力為0.05MPa(表壓)。兩臺主泵將冷池中360℃的鈉泵入柵板聯箱,鈉向上流經堆芯,出口時平均溫度達530℃,與熱池鈉攪混后降為516℃進入中間熱交換器。
燃料操作系統的大旋塞上偏心地裝有小旋塞,小旋塞上偏心地裝有直拉式燃料操作機,大小旋塞的組合運動可使該操作機抓取堆芯的任何一個組件,并將組件裝入傾斜式提升機上的轉運桶中,對于新組件則用該系統進行反向操作。
(3) 主熱傳輸系統
快堆的主熱傳輸系統由Na-Na-水、蒸汽三回路組成(見圖4),中國實驗快堆(CEFR)選擇了池式結構,所以一回路全浸在鈉池中。一回路鈉向二回路傳熱的、浸在鈉池中四臺中間熱交換器全在鈉池中。CEFR的二回路有互相獨立的兩條環路,每條環路有一臺鈉泵,兩臺中間熱交換器,一臺過熱器,一臺蒸發器和一臺緩沖罐(見圖15)。正常運行時二回路鈉進入中間熱交換器的鈉溫是310℃,出口溫度是495℃,進入過熱器將370.3℃的飽和蒸汽加熱成480℃/14Mpa的過熱蒸汽,進汽輪發電機發電,鈉溫降到463.3℃進入蒸發器將190℃/14MPa的給水加熱成飽和蒸汽,這時鈉溫下到了310℃,再進入中間熱交換器循環。
圖4 中國實驗快堆主熱傳輸系統
CEFR采用一臺凝汽式汽輪發電機。兩條環路的過熱蒸汽合并后進入汽輪機的主汽門,發電功率20 MW(最大電功率22.4 MW)。
(4) 專設安全系統
中國實驗快堆最重要的專用安全系統是非能動事故余熱導出系統(圖3和4),它是由兩條互相獨立的環路系統組成。每條環路包括一臺浸在主容器鈉液下的Na-Na熱交換器,一臺空冷器和鈉管路組成,在全廠失電、地震或三回路給水系統失效的事故下,單靠一回路鈉的自然對流和二回路(事故余熱排出系統的二回路)鈉的自然循環即可將堆芯余熱導出。相對于在主熱傳輸系統上接空冷器的方案,非能動事故余熱導出系統有更可靠的優點,而且避免二回路管道、中間熱交換器的共因故障,對安全更為有利。
表1 中國實驗快堆主要設計參數
項 目 |
單 位 |
參 數 |
項 目 |
單 位 |
參 數 |
熱功率 電功率 反應堆堆芯 高度 等效直徑 燃料 钚 239Pu 235U(富集度) 首爐 235U(富集度) 線功率(最大) 中子注量率(最大) 目標燃耗 首爐燃耗 堆芯入/出口溫度 |
MW MW cm cm kg kg kg kg W/cm n/cm2.s MWd/kgH MWd/kgH ℃ |
65 20 45 60 PuO2-UO2 150.3 97.7 42.6(19.6%) UO2 236.7(64.4%) 430 3.7×1015 100 60 360/530 |
主容器外徑 一回路 鈉量 一回路鈉泵 總流量 中間熱交換器 二回路 環路數 總鈉量 總流量 三回路 蒸汽壓力 蒸汽流量 設計壽命 |
mm t 臺數 t/h 臺數 t t/h MPa t/h a |
8010 260 2 1328.4 4 2 48.2 986.4 14 96.2 30 |
中國實驗快堆知識普及篇