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裏程碑式重大進展!我國鉛鉍零功率反應堆首次實現臨界

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  • 2019-10-13 16:48:22

科技日報記者 陳瑜


目前全世界400多座核電站的主力堆型叫熱堆,在熱堆中,鈾-235好比煤,鈾-238好比“廢料”煤矸石。遺憾的是,自然界中鈾-235的蘊藏量僅佔0.66%,其余絕大部分是鈾-238,佔99.2%。


與熱堆的核燃料利用方式不同,快堆中常用的核燃料是钚-239,钚-239發生裂變時放出來的快中子會被裝在反應區周圍的鈾-238吸收,又變成钚-239,從而使堆中核燃料變多,反應開始循環持續下去,鈾資源的利用率可提高到60%—70%。這意味著相對較貧的鈾礦有了開採的價值。


快堆的另一個突出特點是核廢料越燒越少。熱堆反應後的剩余物的放射性仍然很強,而這些核廢料在快堆反應中經過回收再利用以後,可降低放射性物質的衰變期,從而大大減少核廢物處置量,因此快堆被公認為第四代核電技術。


根據冷卻劑的類型,快堆一般又可分為氣冷快堆、鈉冷快堆和鉛/鉛鉍冷卻快堆。


目前快堆中,之前大家比較了解的是鈉冷快堆,中國工程院院士徐銤為之已經努力了半個多世紀。


今天,我們要認識的是另外一種快堆——鉛鉍冷卻快堆。


鉛鉍快堆與鈉冷快堆同屬于液態金屬冷卻快堆,不同的是,前者採用鉛鉍共晶合金作為冷卻劑。


記者12日從中核集團中國原子能科學研究院12日獲悉,我國首座鉛鉍零功率反應堆——啟明星Ⅲ號在該院實現首次臨界,並正式啟動我國鉛鉍快堆堆芯核特性物理實驗。


這被認為是我國在鉛鉍堆堆芯關鍵技術上取得裏程碑式重大進展。


瞄準鉛鉍堆工程化重點難點問題


鉛鉍反應堆及零功率實驗項目總負責人楊紅義告訴記者,零功率裝置是運行功率極低(最高不超過100瓦)的反應堆,以此獲取的零功率實驗數據如同“標尺”一般,能夠對關鍵核數據、堆芯物理設計方法、反應堆測量技術等的準確性和可靠性進行“標定”。任何一種新型核能係統的研發過程,首先都通過研制相應的零功率裝置,開展實驗積累原始數據,全面掌握堆芯核參數和堆芯物理特性,並以此為基礎完善熱工、力學、屏蔽等反應堆其他方面的設計。


目前不少機構在從事鉛鉍快堆研究,但此次臨界的啟明星III號零功率反應堆,是我國目前唯一堆芯帶核的用于鉛鉍反應堆研究試驗的裝置。


專家解釋,該裝置的設計和建設並不容易,不僅僅要能使反應堆安全受控的臨界,更重要的是要有精確的測量方法對它的物理過程進行準確測量,以獲取用于鉛鉍快堆工程化的寶貴的第一手數據。


啟明星III號瞄準鉛鉍快堆工程化重點難點問題,在大尺寸鉛鉍合金冷卻劑材料中準確構建了核燃料和鉛鉍合金冷卻劑材料交互方式,更加準確地模擬鉛鉍反應堆的堆芯物理特性;配備了基于不同原理的多套非能動安全停堆係統,固有安全性強;實現了集成化控制、運行和數據採集,運行與操作更便利,配備了多套實驗測量係統,能夠獲取豐富精確的實驗數據。


有望形成可移動核電源


成功實現臨界後,啟明星III號的任務並沒有結束。它將開展一係列實驗工作,取得的堆芯核參數實驗數據,可直接用于中核集團各型號鉛鉍反應堆工程化設計基礎核數據的宏觀檢驗、堆芯設計與安全分析方法的全面驗證,以及反應堆運行技術的創新研發。


相比傳統的反應堆,鉛鉍合金熔點低、沸點高,既能極大地降低設計和工程的難度,又具有更高的固有安全性和抵禦嚴重事故的能力,更高的能量密度和更長的運行壽期。在應用方面,既可以設計為百萬千瓦級的大型電廠,也可設計為兆瓦級小型模塊化核電源,其中小型核電源可用于深海空間站、海上石油開採平臺、南海區域的海島開發、偏遠地區的能源供給以及大數據中心等。


“它能有多小呢,公路上跑的汽車就能運載它,是真正的可移動核電源。”專家説。


在臨界儀式上,中核集團副總經理曹述棟提到,要以2025年完成小型鉛鉍堆示范堆建設為階段目標,盡快實現小型鉛鉍堆工程技術突破,形成型號譜係化開發能力和批量化生産應用能力。



來源:科技日報

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