鈉冷快堆明顯優勢研究

王鐵 王子來 邵明福 張麗 王國洪

摘要 初步分析核電站的工作原理，了解第四代核電技術的發展現狀，對鈉冷快堆的明顯優勢進行研究，超聲無損檢測事業和核電技術的共同發展對未來的核發電的安全方面有著怎樣深遠的影響和意義。

【關鍵詞】鈉冷快堆；增殖堆；裂變反應；超聲無損

隨著國家經濟的快速發展，人民生活水平的逐步提高，我們對能源的需求的需求量也越來越大，我們所依賴的能源主要是電能。電能可以通過火力發電、水力發電、太陽能、風能、潮汐能等辦法來獲取電能，但是火力發電或產生大量溫室氣體以及有害氣體，對環境污染較大；水力發電雖然對環境無污染，但破壞了周遍地區的生態環境；再談及風能、太陽能等雖然是清潔能源，但是很難大規模的獲取收益，而且輸出并不穩定。我認為時下最應當發展的能源應該有以下幾個特點：首先，對環境無污染，其次，不要破壞周邊地區的的生態環境，還有能夠產生持續可觀的效益。 因此，目前最適合我國發展的能源當屬核能。

1 核電站工作原理

用核反應堆產生的能量來替代火力發電的就是核電站，核電站的能量是通過核燃料發生的核裂變產生的，這部分熱量就會使水加熱變成水蒸汽，這就是核能與熱能之間的能量轉化。通過系統的管路蒸汽就會流入到汽輪機中，這樣汽輪發電機就會工作而發電了，機械能到電能的轉化就完成了。根據目前數據顯示，火電站的一些設備原理就是核電站中的汽輪機的工作原理，這就是核電站與火電站的共同之處，不同的地方就是核反應。

快堆核電站的能量轉化過程為核能轉化為熱能再轉換為電能的，而這些能量都是由快中子引起鏈式裂變反應所釋放出來的。快堆運行時可以達到自給自足，即它會產生它所消耗的材料，而且產生的完全可以滿足消耗的材料，一般在鈾-238反應后都能轉換成钚-239繼續使用，但是因為有設備或其他各方面的損耗，在快堆中鈾資源的利用率能達到60%—70%這樣的效果，因此材料的增殖在裂變反應中得以實現。

除了核反應堆這個必不可少的關鍵設備外，核電站中還有很多的重要設備。一般核電站的主要組成都是由主泵、穩壓器、蒸汽發生器、安全殼、汽輪發電機和危急冷卻系統等組成的。它們在核電站中分別都有各自的分工。

2 第四代核電技術

根據相關數據顯示有6種核電技術可以稱為是第四代核電， 其中有三種快中子堆滿足第四代核電技術要求，還有三種熱中子堆滿足第四代核電技術要求。快中子堆是鈉冷快堆、鉛冷快堆和氣冷快堆這三種先進的快堆， 熱中子堆是超臨界水冷堆、超高溫氣冷堆和熔鹽堆這三種先進的堆型。只有具有和滿足節約資源，投資小，安全系數大， 環保也就是最小化的產生廢物量和核擴散燃料循環的預防這幾種特性的核電技術才可以稱為是第四代。

在所有的第四代核電技術的反應堆中， 從各個方面都滿足條件并且有著很好的優越性，可以大規模開發和應用的應當非鈉冷快堆莫屬， 很多發達國家比如說美、法、俄、日等都做了大量研究工作。在目前來看世界快堆技術要屬俄羅斯發展的最好、最先進。俄羅斯曾于1980就建成了一座可以用于商用的快堆稱為：BN 600，這座快堆有著先進的負荷因子技術，數據顯示它可以維持在70%左右， 并且在電價方面也有著很強的競爭力，幾乎可以與當地煤電價格一拼高下。

3 鈉冷快堆的明顯優勢

3.1 技術優勢

目前由于壓水堆的快速發展，從而引起了核燃料的資源短缺問題，而鈉冷快堆可以很好地解決這一問題，因為鈉冷快堆可以將鈾資源的利用率最大化，這樣就可以有效的緩解鈾資源短缺的問題。壓水堆使用的是3%～4%濃縮鈾-235作為能源，而鈉冷快堆使用的是钚-239作為能源，同時在钚-239的外圍再生區里放置鈾-238。快中子會在钚-239發生裂變反應時產生，產生之后被外圍的鈾-238吸收，鈾-238吸收了快中子就會變為鈾-239，而隨著鈾-239的不斷衰化就會有钚-239的不斷產生。所以，隨著钚-239裂變不斷的產生著能量的同時還可以使钚-239這種燃料不斷的通過鈾-238來產生，如果钚-239的消耗速度要低于钚-239的產生速度，那钚-239就會越來越多，也就意味著燃料越燒越多，從而達到快速增殖的效果。這也就是為什么可以叫做增殖堆的原因了。隨著近年來核工業的快速發展，也造成了貧鈾的量越來越大的問題，而現在貧鈾卻恰好可以作為快堆的能源消耗品，實現了可以增殖燃料的發電廠，鈉冷快堆的這一優勢將會對解決能源問題有很大的幫助，也將會代替壓水堆而成為未來的發展趨勢。

3.2 安全特性

鈉冷快堆和壓水堆相比，在系統上兩者有著很多不同的地方，其原因就是兩者的冷卻劑不同，兩者的冷卻劑分別是液態鈉和水。所以，鈉冷快堆和壓水堆相比的最大不同就是擁有三個不同的熱傳輸回路。第一回路就是第一次鈉循環系統，是池式結構，它有很多個環路結構，主泵和中間熱交換器是各個環路都有的部分，和主管道、柵板聯箱、堆芯和鈉池共同組成。第二回路的多個環路的主要設施是二次鈉泵、蒸汽發生器組、鈉緩沖罐、中間熱交換器、鈉分配器和連接管道。第三回路是水-蒸汽回路，這一回路的構成有蒸汽發生器、汽輪發電機、給水泵、主蒸汽管道等。鈉冷快堆與壓水堆有所不同的是，鈉冷快堆回路中的蒸汽是過熱蒸汽，而壓水堆中的是飽和蒸汽。

所以，在安全性方面的比較鈉冷快堆與壓水堆也有很大的區別。鈉冷快堆系統的安全性有熱響應時間長、冷卻劑較難發生沸騰現象，反應堆有著很好的負反饋特性，所以與壓水堆相比，在安全性方面鈉冷快堆有著更加明顯的優勢。

3.3 固有安全性

如果只對于快堆來說，鈉有著很多適用于快堆的良好性能，比如說散射慢化能力不強和中子吸收截面小等，而且同時鈉的固有安全特性也是鈉冷快堆發展的有利因素。其固有安全特性有以下幾點：

第一、金屬鈉在液態時的熱導率相對來說較大。金屬鈉在液態時的熱導率在快堆堆芯溫度約450℃時能達到壓水堆中水熱導率的百倍以上，對于不易過熱的堆芯和燃料來說，如果在一回路中發生冷卻系統失電的情況時，池式快堆中的大量液態鈉就會接收堆芯事故余熱通過熱傳遞的方式傳導過來的熱量，實驗堆的鈉池中的液態鈉可達200余噸，大功率商用快堆鈉池中的液態鈉可達上千噸，所以在一回路中的鈉就是第一步防線，對事故余熱的導出起著至關重要的作用。

第二、鈉在第一回路中的工作環境溫度在550℃左右，大氣壓下液態鈉的沸點卻是883℃，也就是說鈉的工作環境溫度與鈉的沸點相差要300℃左右，所以在這一回路中不需要加壓來增加出口溫度。防止有空氣進入一回路中才是至關重要的，快堆本體采用加壓到0.05Mpa的氬氣作為保護，再加上液態鈉本身的靜壓，壓力最多也就只能達到0.15Mpa；所以，在鈉冷快堆中是不會出現像在高壓系統中出現的管道或容器破裂事故而使堆芯裸露的現象的。

4 核電聲學評價系統意義

目前，我國的核電站的建設正處在跨越式增長時期，這個時期的核電站快速發展是對我國核電無損檢測的嚴峻的科學挑戰，同時這也是賦予了核電無損檢測事業的一個重要使命。如何準確、可靠、快速地對核電站的重要設備的安全狀況進行無損檢測，保證核電站安全和壽命有著重大的意義。

在第四代反應堆中鈉冷快堆的堆型是比較先進的，尤其是液態鈉的良好冷卻性，是快堆冷卻劑的絕佳選擇，那么，鈉冷快堆管道腐蝕的無損檢測就成為了一個極具挑戰性的問題，為了加快對管道內壁的腐蝕進行聲成像檢測事業的發展，為無損檢測奠定基礎，管道的完整性研究對于鈉冷快堆就顯得尤為重要。無損檢測對核電站的設計、建造及運行起著至關重要的作用。無損檢測對鈉冷快堆核電站的建設也有著重要的意義。

5 結論

鈉冷快堆對鈾資源的有效利用和在處理核廢物方面的優勢，可以很好解決鈾資源匱乏和乏燃料的處理的問題，鈉冷快堆在節約能源、環境保護、可持續發展等方面的優勢都對其未來的發展前景起著至關重要的作用.根據目前的鈉冷快堆運行經驗，鈉火或鈉水問題是有可能在鈉冷快堆的運行中出現的，但是也可以防止的，這就需要設置有效的事故監測和事故處理系統來防止，同時這也就賦予了無損檢測事業一個重大的歷史使命。

參考文獻

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