快中子增殖堆

1、P58 3.5快增殖堆3.5.1熱中子堆和快中子堆核反應(yīng)堆按照中子的反應(yīng)速度可以分為熱中子堆和快中子堆。通常的核裂變反應(yīng)堆使用的核材料都包含了鈾235和鈾238。其中鈾238的含量為總體含 量的95%97%，而能夠產(chǎn)生核裂變反應(yīng)的只有少量的鈾235。并且，鈾238對(duì)高速中子的 捕獲能力比鈾235強(qiáng)，在裂變反應(yīng)中，鈾238吸收了大多數(shù)中子，同時(shí)由于中子的注量率 降低，使得鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不能持續(xù)進(jìn)行。為了降低鈾238對(duì)中子的吸收，提升核燃料鏈?zhǔn)搅炎?反應(yīng)的效率，需要采用中子慢化劑將高速中子減速成為速度較慢的熱中子。中子慢化劑是由 較輕的原子核構(gòu)成，比如輕水、重水等，利用其中的氫原子與中子碰撞，來(lái)達(dá)到減速

2、中子的 目的。這種利用熱中子使鈾235裂變的核反應(yīng)堆，叫做熱中子堆。核裂變時(shí)產(chǎn)生的中子，如果不采用慢化劑減速，稱作快中子。快中子轟擊鈾238時(shí)，鈾238 會(huì)以一定的比例吸收這種快中子，變?yōu)轭?39?？熘凶臃磻?yīng)堆的反應(yīng)過(guò)程：速度較慢的熱 中子被鈾235吸收后，會(huì)發(fā)生裂變。而钚239可以吸收一個(gè)快中子而裂變。钚239是比鈾 235更好的核燃料。鈾238先吸收快中子變?yōu)轭?39，再由钚239進(jìn)行核裂變，裂變會(huì)發(fā) 生質(zhì)量虧損，釋放的能量以熱能的形式散發(fā)，運(yùn)到外部后加以利用。在快中子增殖堆內(nèi)，核燃料是在增加的。因?yàn)槊總€(gè)鈾235裂變產(chǎn)生的中子可以使1216個(gè) 鈾238變成钚239，即就是一邊消耗核燃料钚，

3、一邊通過(guò)反應(yīng)產(chǎn)生钚，但是產(chǎn)生的消耗的 多，所以最終核燃料是增加的。因此這種反應(yīng)堆被叫做快中子增殖反應(yīng)堆。中子增殖堆利用鈾資源的效率幾乎高達(dá)100%，另外中子增殖堆還可以讓核燃料充分燃燒， 減少了污染物質(zhì)的排放。盡管如此，這種反應(yīng)堆并未大量使用。因?yàn)樵诤朔磻?yīng)器中制造更多 的核燃料是有風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生的钚可能會(huì)促進(jìn)核子增生反應(yīng)同時(shí)提煉钚必須進(jìn)行燃料的再制， 該過(guò)程會(huì)產(chǎn)生放射性廢料，還有可能造成大量放射線外泄，引發(fā)更嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，再加上制造的核燃料可能被用于制造核武器，在限制核武器上還有顧慮。3.5.2快中子增殖堆與輕水堆的比較快中子增殖堆和輕水堆是目前利用比較廣泛的兩類核反應(yīng)堆?？熘凶釉鲋撤磻?yīng)堆（FB

4、R）即快中子堆，是直接利用快中子對(duì)核材料進(jìn)行轟擊，從而引發(fā)鏈 式反應(yīng)，因而這類反應(yīng)堆中不使用中子慢化劑，使用的冷卻劑是液態(tài)金屬Na?？焖僭鲋撤?應(yīng)堆中使用的核燃料包括杯和鈾，其中易裂變杯的含量約為16%21%，貧化鈾的含量約為 79%84%。具體增殖過(guò)程包括:杯239裂變釋放中快中子，鈾238與快中子碰撞，轉(zhuǎn)變?yōu)?杯239，杯239繼續(xù)釋放出快中子參與反應(yīng)堆。在核反應(yīng)堆中，新產(chǎn)生的核燃料與所消耗 的核燃料之比叫做轉(zhuǎn)換比。當(dāng)這個(gè)比值大于1時(shí)，也叫做增殖比。在快中子反應(yīng)堆中，杯 239裂變一次產(chǎn)生3個(gè)中子，其中的一個(gè)中子用于維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，剩下的兩個(gè)中子被鈾238 吸收后產(chǎn)生一個(gè)以上新的核材料钚23

5、9。所以快速增殖堆的轉(zhuǎn)換比較大約為1.2。輕水堆是熱中子反應(yīng)堆的另一種。它包括沸水反應(yīng)堆（BWR）和壓水反應(yīng)堆（PWR）。 輕水堆利用輕水作為慢化劑，將核裂變產(chǎn)生的高速中子減速為熱中子。轟擊核燃料中的鈾 235，繼而引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。輕水堆使用的冷卻劑也是輕水，它的核燃料的來(lái)源是自然界中的 鈾，但是核燃料中可以產(chǎn)生裂變反應(yīng)的只占3%5%，其余不能被輕水利用的是鈾238。 一個(gè)鈾235裂變時(shí)平均可以產(chǎn)生2.43個(gè)中子。由鈾235的濃縮都較低，所以這種反應(yīng)堆 的轉(zhuǎn)換比只有0.6左右。但是輕水反應(yīng)堆是目前世界上核反應(yīng)堆的主要堆型。3.5.3利用快中子增殖堆實(shí)現(xiàn)杯燃料的增殖快中子增殖反應(yīng)堆（Fast br

6、eeder reacto），又稱快中子滋生反應(yīng)堆、快滋生反應(yīng)堆、快堆 等，是一種核子反應(yīng)器，利用快史壬被增殖性材料吸收而變成可裂變物質(zhì)，而產(chǎn)生自行制造 核燃料的效果，制造燃料多于消耗燃料的，就稱為快滋生反應(yīng)器。另外也有利用熱中子進(jìn)行 滋生反應(yīng)的“熱滋生反應(yīng)器”。其工作原理是先用一個(gè)中子轟擊杯239，杯239在捕獲一個(gè)中子后發(fā)生裂變反應(yīng)，生成兩 個(gè)或兩個(gè)以上原子序數(shù)較小的原子同時(shí)釋放出23個(gè)中子，并釋放能量。產(chǎn)生的中子中有 一個(gè)會(huì)引起其他杯239進(jìn)行裂變反應(yīng)。而剩下的中子被核燃料中的鈾238復(fù)活成為鈾239， 并以鋒（Np）作為中間體，產(chǎn)生兩次B衰變后蛻變成钚239。下面的反應(yīng)式表示出了鈾 23

7、8被一個(gè)中子轟擊，發(fā)生B衰變并生成钚239的過(guò)程。238U + m T 239U - 239Np 片 239PU 9209293 94可以看出，一塊天然鈾中不但有钚239的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。而且還會(huì)由于鈾238的不斷衰變產(chǎn)生更 多的钚239。只要反應(yīng)堆中有源源不斷的鈾238輸送，就會(huì)一直產(chǎn)生更多的钚239,從而實(shí) 現(xiàn)了钚燃料的增殖。3.5.4快中子增殖堆（FBR）的結(jié)構(gòu)快中子增殖堆主要由核燃料（堆芯）、控制棒、中間熱交換器、汽輪發(fā)電機(jī)等幾部分組成。堆芯位于增殖堆的中央部位，是由直徑約為1m的核燃料組成。堆芯采用的是由钚和鈾混 合而成的MOX（混合氧化物燃料），目前使用最多的是。2和PuO2。貧化鈾燃料

8、（鈾238和少 量的鈾235）包圍著堆芯的四周，構(gòu)成增殖層，鈾238轉(zhuǎn)變成钚239的過(guò)程主要是在增殖層 中進(jìn)行的?？熘凶釉鲋扯阎械暮朔磻?yīng)非常劇烈，所以必須使用導(dǎo)熱能力很強(qiáng)的液體把堆芯產(chǎn)生的大量 熱帶走，同時(shí)利用這些熱來(lái)發(fā)電。鈉導(dǎo)熱性能高而且不容易減慢中子的速度，不會(huì)妨礙快堆 中鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度的進(jìn)行，所以是理想的冷=冷卻液體。在實(shí)際反應(yīng)堆中，堆芯和增殖層都浸 泡在液態(tài)的金屬鈉中，從而實(shí)現(xiàn)反應(yīng)系統(tǒng)的迅速冷卻和熱量的傳遞。反應(yīng)堆中使用了吸收中子能力很強(qiáng)的控制棒，靠它插入堆芯的程度來(lái)改變堆內(nèi)中子的數(shù)量， 以便調(diào)節(jié)反應(yīng)堆的功率。鈉冷卻系統(tǒng)分為一次系統(tǒng)鈉和二次系統(tǒng)鈉，是為了使放射性的堆芯 同發(fā)電部分隔離開(kāi)。一次鈉系統(tǒng)直接同堆芯接觸通過(guò)熱交換器將反應(yīng)堆中產(chǎn)生的熱量交換給 二次系統(tǒng)鈉。二次系統(tǒng)鈉用來(lái)加熱鍋爐，通過(guò)蒸汽發(fā)生器使水轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?，?qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。核反應(yīng)堆的比較對(duì)核裂變起作用的中