【前沿---第四代反应堆之欧洲铅冷快中子堆介绍】

导言当下，我们讨论核电站，常常局限于各种“水堆”，包括轻水堆，重水堆，沸水堆等等。源于现时商转中的反应堆多是第二代反应堆与大概十来

导言

当下，我们讨论核电站，常常局限于各种“水堆”，包括轻水堆，重水堆，沸水堆等等。源于现时商转中的反应堆多是第二代反应堆与大概十来个第三代系统，而其冷却剂甚至慢化剂基本都是水，这里不详细分类。然而在第三代反应堆即将进入大规模商运的今天，实际上第四代反应堆技术（英语：Generation IV reactors，缩写：Gen IV）离我们已经不遥远。核电发展路径预期图（图1）告诉我们在2030年左右，将进入核电第四代王朝。

图1. 核电发展路径图

按照第四代国际论坛（The Generation IV International Forum ）的分类，第四代核电技术主要分为热中子、快中子反应堆两大类，其中每大类又包含三个堆型。图二概略了六种主流堆型的基本设计概念[1]。本文主要谈一下其中的铅冷快堆系统（LFR）。

图2. GIF框架下六种四代堆系统基本设计概念

1. 欧洲铅冷快堆的前世今生

ELSY，即欧洲铅冷系统（European Lead-cooled System）是欧洲第6个研究框架规划（FP6）内属“放射性废物管理”领域的“特定目标研究或创新项目”。

ELSY项目酝酿时间较长，内部准备充分，又在与第四代国际论坛（GIF）的GEN-IV LFR开发目标方面作了缜密的协调，是个有组织、有计划、有目标的国际核能开发研究项目。

ELSY项目于2010年2月结束。铅冷快堆项目由LEADER项目（Lead-cooled European Advanced Demonstration Reactor）在FP7框架下继续开展。主要设计堆型为ELFR（European Lead-cooled Fast Reactor）[2]

2. 铅冷快堆系统的主要优势

当我们的能源需求得到一定程度的满足后，我们的能源获取途径也日趋多样，so,大家对获取能源给自然生态带来的负效应越来越关注。谈及核能，乏燃料的后处理和燃料利用的最大化是其不可回避的两个重要问题。

快堆优势之乏燃料后处理：BURN OR BURY

目前对于高放乏燃料的后处理主要是掩埋，即BURY，然而掩埋并没有真正解决放射性废料的问题，我们知道高放核废料的半衰期很长，单纯的掩埋仅仅是把问题留给子孙后代而已。铅冷快堆系统可以实现BURN，也就是我们常说的分离和嬗变（P&T）高放废物。从而大大减少核废料衰变时间。图三告诉我们，采用U-Pu燃料循环嬗变技术的四代堆系统相比于U-Pu燃料循环三代轻水堆和直接掩埋处理，可以大大减少放射性废料达到铀矿级放射性所需时间。图四为欧盟所执行的乏燃料处理路线

图3. 嬗变在处理放射性废料上的时间优势

图4. 欧盟乏燃料处理路线

嬗变：加速器技术与快堆技术路线之争

既然谈及乏燃料处理，那么就有必要谈一谈”嬗变“。“嬗变”并不是新鲜的核科学名词，它几乎和“衰变”、“裂变”同时出现，即一种核素受到某种基本粒子的轰击，生成另一种新的稳定的核素。比如轻水堆U238受到中子轰击，生成一系列衰变产物。[3]

但是，现代核科学家追求的“嬗变”，是使长寿期、强放射性的超铀元素和裂变产物，即Np,Am,Cm等等接受高能粒子轰击生成稳定无放射性核素，同时利用嬗变热能发电。

目前嬗变工具主要是加速器和快堆，欧盟社会有段时间比较抵制快堆的发展，于是加速器技术（ADS）大行其道。然而随着ADS的发展，从兆瓦级的实验装置Megapie到X-ADS，再到最终设想的EFIT，实际上除了Keff处于次临界状态之外(0.75-0.97)，其余设计已经接近快堆理念。

表1. 铅冷快堆与ADS主要设计概念对比

ADS在研究初期，众多科学家认为其制造工艺并不麻烦，规划在2020年左右开展工业化布局。然而事情并不是这么简单，Megapie制造花费了六年（2000-2006）[4]，以此为推算X-ADS在2020年实现成熟运行算是比较激进的观点，然后实现EFIT的制造并正常运行预计应该不会早于2030年，可以设想在2040年左右实现工业化布局并大规模P&T已是乐观，同时这一切还要建立在欧盟有足够的耐性给予足够的经费支持。然而横亘在ADS技术工业化布局之前有诸多工程技术难题，比如加速器材料工艺，比如次临界运行下堆运行的功率经济性。目前来看快堆技术比ADS系统更具生命力。

铅作为主冷却剂的优势

• LEADER或者ELSY设计使用9000吨液态纯铅作为主冷却剂，其中正常情况下43%参与热力循环 液态铅惰性，不与水和空气发生反应，因此取消了中间冷却剂系统，就发电效率而言可补偿降低堆芯出口温度的影响(比超凤凰钠冷堆低62K)。也实现了SG的反应堆压力容器内部安装结构设计；
• 铅的沸点达到1745摄氏度，有效降低了堆芯出现空泡风险;
  
• 液态铅慢化能力弱，中子吸收截面小。从而可以实现较低密度的燃料组件布局，燃料组件布局空间的增大降低了冷却剂水头损失，这一特性在弱泵送能力或者自然循环阶段的冷却剂载热循环过程中显得极为关键。
  
• 液态铅与常见燃料包壳材料兼容不反应。
  

• 堆芯余热排出能力提升，采用铅冷系统的堆芯余热排出能力如图4所示 图4 堆芯余热排出能力

3. 铅冷系统ELFR设计特点摘要

3.1. 堆本体与电厂总体

堆本体采用池式设计，使用紧凑的、容器内的蒸汽发生器（SG）和所有堆内构件都可拆出的简单主回路，从而降低施工难度，提高施工速度。池式反应堆结构设计，可以提高堆本体抗震能力；在惰性气体的保护下进行堆芯燃料操作，提高操作安全性。图5、6为ELFR堆本体设计示意图，图7为电厂总体厂房布局：

图5. ELFR堆本体设计工程图

图6. ELFR堆本体设计效果图
图7. ELFR电厂总体厂房

3.2. 关于SG

蒸汽发生器SG放进堆内，同时SG抛弃传统U型管设计采用新型螺旋式设计，以提高换热能力和达到堆内自然循环目的；图8为螺旋式SG结构图，表2为SG换热能力参数表，图9位换热能力趋势图。

图8. SG结构图

表2. SG换热能力参数表

图9. SG换热能力趋势图

4. 结论

• 铅作为一种高沸点冷却剂所带来的协调作用，不可低估：中子经济、低压系统，安全、简化、经济、防扩散能力等。在ADS研究中发现铅具有吸附和抑制裂变产物、特别是某些易挥发裂变产物的能力，可将核电厂对外环境的影响降到最小，从基本上消除核电厂场外应急的需要。[8]
  
• 铅的对外部环境、工业基础条件和技术要求有更广泛的适应性。目前我们核电选址在考虑一个地址的时候，第一步就是调出此地所有的记录，比如县志之类的老古董都要拿出来看，是不是在某年某月的某一天发生过重大自然灾害之类的，为何？因为我们现在的核电厂很脆弱！做核电的常常说核电厂址是稀缺资源，怕地震，怕海啸，怕冰冻，自从出了911，现在还怕大型商用飞机，为何？ Not Stuff enough。
  
• 不过开发的崭新机组（不是新堆型），即使重大设备制造、出厂试验、机组调试过关，仍然不能难断言不会出现其他异常情况；即使安全性能达标，经济性能仍然有待证实。例如，AP1000提出所谓“主泵运行60年不检修”，然而你首先要有一个这样的主泵！

文中图片和设计参数主要来自Ansaldo Nucleare网站

主要参考文献

[1] L. Cinotti, C. Fazio, J. Knebel, S. Monti, H. Ait Abderrahim, C. Smith, K. Suh LFR "Lead-Cooled Fast Reactor" UCRL-CONF-221396 FISA 2006 Kirchberg, Luxembourg March 13, 2006 through March 16, 2006 May 16, 2006

[2] Ved Bhatnagar Overview of Overview of EU Activities in P & T Research in the EURATOM 6th th and 7th Framework Programmes 9IEM P&T, Nimes, FR 25-28 Sep 2006 EC, Brussels

[3] L. Cinotti, C. F. Smith, J. J. Sienicki, H. Aït Abderrahim, G. Benamati, G. Locatelli S. Monti, H. Wider, D. Struwe, A. Orden The Potential of LFR and ELSY ProjectBook of Abstracts, ICAPP 2007 Nice, France, May 13-18, 2007 Paper 7585

[4] IAEA-TECDOC-1289 Comparative assessment of thermophysical and thermohydraulic characteristics of lead, lead-bismuth and sodium coolants for fast reactors IAEA June 2002