先进反应堆系统概念设计

摘要：文章重点介绍一种先进反应堆系统的概念设想，此反应堆系统是动力堆，主要解决能源紧缺和核电站乏燃料的处理问题。该系统利用核裂变反应产生的巨大能量，采用温差电、热离子等热电转换装置，将热量直接转换为电能。文章结合目前世界研究水平，提出了要将此反应堆系统商业化所要解决的关键技术问题，并简单给出了此反应堆系统实现商业化的步骤和时间节点。

关键词：反应堆；乏燃料；核裂变

中图分类号：TL323 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）16-0011-03

目前世界上运行的动力反应堆系统，基本上是将裂变反应产生的能量经过冷却剂加热二回路（或三回路）水产生蒸汽，推动汽轮机转动进而带动发电机产生电能，其中能量转换为核能转换为热能、热能转化为机械能、机械能转化为电能。这样使反应堆系统结构复杂，复杂的系统给反应堆动力系统的安全带来了巨大的挑战，而多级能量传递带来了核能利用率低的结果。同时目前核电发展遇到的极大挑战不是技术问题，而是燃料供应和废物处理这两个问题。为解决上述问题，本文提出了一种先进动力反应堆系统，此反应堆系统利用核裂变反应产生的巨大能量，采用温差电、热离子等热电转换装置，将热量直接转换为电能，使反应堆系统结构大大简化，而堆芯内部燃料为轻水反应堆乏燃料或者贫铀，利用快中子特性燃烧燃料产生核能，实现在线换料并且堆芯寿命长，这样大大简化堆芯内部结构，增加安全性。由于该动力反应堆系统在燃料方面的优越性，使得该动力反应堆系统经济性大大增加。此动力反应堆系统具有高燃耗、比功率高、低废料产生、高经济性、在线换料、无核扩散风险、高安全性、寿命长、系统结构简单、体积小等特点。

以目前运行的成熟反应堆系统的经验和数据为基础，在今后的20年中，完成该堆型传热试验、热能高效转化为电能实验、棒束传热试验、中子学验证试验、排散废热试验、材料选择和性能研究、安全分析等。预计在2015年完成概念设计，建成原型堆，在2050年实现商业化。

1 问题描述及该堆型基本原理

按目前铀利用率估计现存铀资源供应年限大约为117年，按此速度在不久的将来核电将会面临现在火电所面临的资源短缺问题。但是目前轻水反应堆的资源利用率很低，90%的铀资源成为乏燃料而不能被合理利用。乏燃料中含有大量未用完的可增殖材料U238或Th232，未烧完的和新生成的易裂变材料Pu239、U235或U233以及核燃料在辐照过程中产生的镎、镅、锔等超铀元素，另外还有裂变元素Sr90、Cs137、Tc99等。如果将这些乏燃料合理利用，不仅能解决乏燃料存储问题，同时还能为人类提供具大的能源。

按照预期设计目标，此反应堆中子的有效利用率很高，因此此反应堆可以用乏燃料或者贫铀作为燃料。原理是U238在新燃料区吸收来自燃烧区泄露的中子，转化为Pu239，这样就形成了新的燃烧区。裂变反应式如图1所示：

因为天然铀是高度次临界的，因此U238需要吸收大量的中子而使反应堆系统变为临界状态。而此反应堆系统具有很高的中子有效利用率，因此可以满足上述条件。为此中子能量谱必须足够的硬，也就是说有效中子能量必须足够的高。随着新燃料区吸收大量的中子核素进行转换，燃料燃耗就增加了，同时减缓了燃烧燃料的速度。如图3所示为此反应堆中核素变化和燃耗情况（此图引自快堆材料，以作为理论基础）。

2 反应堆系统描述

该反应堆系统利用核裂变反应产生的巨大能量，采用温差电、热离子等热电转换装置，将热量直接转换为电能。它由核反应堆（核能转变为热能）、热传输系统（将热量从堆芯导出）、热能转换为电能系统、剩余热能排除系统、安全屏蔽、功率调节单元等组成。如图4所示，为该堆型系统原理图。

该系统直接将热能转化为电能，减少了热能转化为机械能，机械能转化为电能的环节，有效提高了能源利用率。同时简化系统，大大提高了系统的安全性。

该反应堆系统采用液态锂/钠冷却工质将热量从堆芯传递到热电转换热交换器，它包括高温液态金属泵，金属气体分离器，泵驱回路融化系统，此系统具备冻

结/融化能力。

在热电转化单元中，可以采用较为成熟的温差电和热离子等转换方式，虽然效率很低（5%左右），但系统成熟可靠，可以串联布置多个热电转化单元以提高热电转化效率。同时应用新型高效热电转换方式，研发热光伏、碱金属等新型高效静态能量转换技术以及斯特林、布雷顿、朗肯等高效动态转换技术以提高热电转换效率。

再释热器同样采用串联布置多级释热装置以将剩余热能完全导出。而在此环节可有效地利用剩余热量，例如供暖等。

核反应堆是核能转化热能的重要装置，此反应堆系统结构简单，反应性保持稳定，实现在线换料，无核扩散风险，因此安全性特别高。堆型采用压力容器式，只有一个回路，这样减少管道布置，堆型分布紧凑，可接多个环路以提高能量利用效率。图4只是该系统的原理图。在本堆型设计时，将核燃料、热传输系统（将热量从堆芯导出）一体化，全部集中在一个棒束上，堆内均匀分布多组棒束。图5为棒束分布示意图（根据设计理念，用MCNP程序画出的简图，用以后期分析应用）。裂变产生的巨大能量被锂/钠冷却工质带出堆芯，传递给热点转换交换器。

3 技术特性

该堆型先进性包括：

（1）高燃耗，有利于核燃料利用。该堆型是快中子谱反应堆，燃料是乏燃料或贫铀，低废物生产，不需要后处理，为解决乏燃料提供一种好方法。

（2）系统结构简化：由于本反应堆系统只有一个回路，减少大量设备，从而使反应堆和安全壳更加紧凑，压力容器、安全壳、厂房都更小。与传统堆型相比，取消了蒸汽发生器、稳压器、二回路系统、汽轮机系统等。因此次堆型装置流程简单，系统简化。

采用热电转换装置，减少能量转换过程，大大提高系统能量转换效率。

（4）高安全性：系统中没有出现水，没有沸腾危机等传统危险，不用担心钠水反应，堆芯无烧毁现象。同时引入非能动安全系统，系统结构大大简化，从而提高了系统安全性。

（5）良好的经济性：燃料成本大幅度降低、系统结构简单、设备大幅度减少、单堆功率很大等优点，使该堆型经济竞争力突出。

4 关键技术简介

无论从技术特性、安全性和经济性上分析，该堆型具有很大的优越性。但是该堆型的发展面临巨大的挑战。主要表现在以下三个方面：

（1）重视发展新型高效热电转换方式。温差电和热离子等转换方式虽然技术成熟，系统成熟可靠，但是效率很低（5%左右）；因此不仅要致力于提高温差电、热离子等传统转换技术的效率，而且还研发热光伏、碱金属等新型高效静态能量转换技术以及斯特林、布雷顿、朗肯等高效动态转换技术，从而大大提高热电转化效率。

（2）堆型功能的实现，由于此堆型在目前只是一种概念，仅有一定的理论基础，与实际工程应用相差甚远，因此需要做大量的试验已验证这一理论结果的可实用性。

（3）较高的材料要求：高温高压下需要包壳和结构材料有更好的耐高温、耐腐蚀性能，有更高的强度等。

只要上述技术能得到突破，此堆型应用于实际问题将不再是概念设计，而将成为解决能源问题、解决乏燃料问题的一种有效途径。

5 实现商业化过程及时间安排

此堆型能实现商业化的最大优势在于其处理乏燃料的能力和经济竞争力上，一旦技术成熟，实验堆运行情况良好，则此堆型实现商业化将不是难题。实现商业化应提前酝酿。目前在技术开发阶段，应利用前期概念设计、理论验证、经济性分析等资料，吸引国家及相关电力公司投资此项目，并且一起开发实现。在技术成熟后，利用合作伙伴的优势实现商业化。具体过程及时间节点如表2所示：

此反应堆在概念设计上具有明显的优越性，相关关键技术突破后将为乏燃料后处理问题、能源紧缺问题带来新的解决方案，也为核能的和平利用提供一种好的

方式。

参考文献

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作者简介：李益（1985—），男，浙江舟山人，供职于三门核电有限公司，研究方向：核电维修。

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