美國鉛冷快堆研究進(jìn)展

陶舒暢 賴建永 秦婧 葉竹 蘇桐

摘 要

鉛冷快堆由于其高安全性和高經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，已成為國內(nèi)外核能應(yīng)用領(lǐng)域的重點發(fā)展堆型。另外，該型反應(yīng)堆基于其優(yōu)越的堆芯能譜、功率密度以及與金屬燃料如UZr合金的良好匹配等特點，是發(fā)展結(jié)合干法后處理的閉式燃料循環(huán)的理想對象。美國對鉛冷快堆的研究起步較早，但受制于材料腐蝕問題，相關(guān)研究一度中止。隨著該問題的解決，美國于21世紀(jì)初重啟鉛冷快堆的研究。憑借強(qiáng)大的實力，美國在小型自然循環(huán)鉛冷快堆的研發(fā)方面很快處于國際領(lǐng)先地位。本文介紹了美國從事鉛冷快堆研究的機(jī)構(gòu)情況，并對美國在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞

鉛冷快堆;美國;研究進(jìn)展

中圖分類號： TL433 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 79

0 前言

20世紀(jì)50年代初，美國啟動了潛艇（NS）核動力裝置（NPI）的開發(fā)工作。因鈉具有較好的熱工水力特性，在美國被用作液態(tài)金屬冷卻劑，并以此建設(shè)了核動力裝置的地面試驗設(shè)備原型以及“海狼級”試驗核潛艇。然而，運行經(jīng)驗表明，鈉在氧氣和水中化學(xué)性質(zhì)十分活潑，作為冷卻劑并不理想。經(jīng)過數(shù)次鈉/水反應(yīng)事故后，反應(yīng)堆設(shè)施與艙室一同被拆除，并采用壓水反應(yīng)堆設(shè)施取而代之。雖然美國也進(jìn)行了鉛鉍冷卻劑的研發(fā)工作，然而在結(jié)構(gòu)材料耐腐蝕性，冷卻劑質(zhì)量控制和維護(hù)問題等方面并沒有取得突破成果，因此停止了鉛冷快堆的研究。

隨著世界上大量鈾礦資源的發(fā)現(xiàn)與開采，鈾礦資料總量得到大幅度提高，因此快堆的燃料增殖顯得不再如過去那么緊迫，更為重要的是，隨著近10-15年材料領(lǐng)域的發(fā)展，歐洲科學(xué)家已經(jīng)證明，不需要過多地依賴氧控系統(tǒng)也可以實現(xiàn)對鉛腐蝕的控制。俄羅斯在鉛冷堆軍用領(lǐng)域取得的巨大成就，更進(jìn)一步激發(fā)了美國對鉛冷快堆的重視。從1997年開始至今，美國一些科研機(jī)構(gòu)重新開始了一些鉛冷快堆的研究。2000年，美國能源部重新啟動鉛冷快堆研究計劃，分別設(shè)立了針對核廢料嬗變處理的鉛鉍快堆ABR項目和針對先進(jìn)核能系統(tǒng)開發(fā)的小型模塊化鉛冷快堆SSTAR項目。在ABR項目和SSTAR項目，美國均選擇了自然循環(huán)冷卻的技術(shù)路線，并開展了較為深入的研究。西屋公司近年來在實驗快堆的研究基礎(chǔ)上，提出熱功率為500MWth（210MWe）的示范鉛冷快堆概念。目前，美國在小型自然循環(huán)鉛冷快堆的研發(fā)方面處于國際領(lǐng)先地位[1-3]。

1 美國的主要研究機(jī)構(gòu)及研究內(nèi)容

1.1 國家實驗室

1.1.1 勞倫斯伯克利國家實驗室

2005年，美國在第四屆國際核能論壇框架協(xié)議的基礎(chǔ)上成立了鉛冷快堆研發(fā)臨時指導(dǎo)委員會，該委員會編制了鉛冷快堆研發(fā)計劃。該堆為小型便攜式反應(yīng)堆，以鉛作為冷卻劑，鉛鉍作為備用冷卻劑，功率在10-100MWe之間，并且具有較長的換料周期。在該研發(fā)規(guī)劃的指導(dǎo)下，美國勞倫斯伯克利國家實驗室設(shè)計研發(fā)了一款小型、密封、便攜式自控反應(yīng)堆（SSTAR），該堆是一款具有固有安全性的快中子增殖反應(yīng)堆，使用鈾-235及鈾-238作為燃料，部分核燃料會因裂變反應(yīng)而消耗，另一部分會捕捉反應(yīng)所產(chǎn)生的快中子進(jìn)而轉(zhuǎn)換為钚燃料。該類型反應(yīng)堆設(shè)計年限為30年，電功率為10MW至100MW。該反應(yīng)堆可替代當(dāng)今的輕水反應(yīng)堆，并可出口至發(fā)展中國家，在租借國使用反應(yīng)堆數(shù)十年后將整個裝置運回制造國。

1.1.2 洛斯·阿拉莫斯國家試驗室

洛斯阿拉莫斯國家實驗室進(jìn)行了鋼鐵在鉛鉍合金中的腐蝕狀況的實驗研究，并建立了腐蝕的動力學(xué)模型。

1.1.3 美國愛達(dá)荷國家工程和環(huán)境實驗室

在美國愛德華國家工程和環(huán)境實驗室，研究人員進(jìn)行了使用化學(xué)緩沖系統(tǒng)來維持氧的含量以緩解鋼材料的鉛的腐蝕方面的研究。另外，研究人員還對水冷堆的分析程序進(jìn)行改進(jìn)，以便將其用于鉛冷快堆研究分析。

1.2 大學(xué)及公司

1.2.1 內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校

內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校搭建了鉛鉍回路，并進(jìn)行了鉛鉍合金的化學(xué)檢測與控制、氧濃度傳感器驗證、鉛鉍凈化工藝的開發(fā)和氧控系統(tǒng)的研究工作。

1.2.2 麻省理工學(xué)院

麻省理工學(xué)院開展了減緩合金材料腐蝕速率的研究工作。麻省理工學(xué)院同時開展功能梯度復(fù)合材料開發(fā)工作，以及對F91鋼材和鐵鉻鋁（Fe-12Cr-2Si）合金展開的測試工作。

1.2.3 西屋公司

2015年10月8日，西屋公司宣布尋求與美國能源部合作，進(jìn)行下一代核能系統(tǒng)的研發(fā)。西屋公司認(rèn)為，鉛冷快堆系統(tǒng)（LFR）將在能源的可持續(xù)利用、安全性和應(yīng)用靈活性上達(dá)到新的高度。西屋公司向美國能源部提交了研發(fā)鉛冷快堆的項目建議書，希望獲得美國能源部的資金支持，并計劃在2035年建成鉛冷快堆。西屋的鉛冷快堆項目團(tuán)隊包括國家實驗室成員、大學(xué)和私人部門鉛冷快堆領(lǐng)域的專家學(xué)者。該團(tuán)隊計劃改進(jìn)現(xiàn)在第四代鉛冷堆技術(shù)，并且設(shè)計新的第四代堆核燃料，使其在經(jīng)濟(jì)上更有競爭力。

2 美國正在開展的鉛冷快堆項目

2.1 ABR項目

2000年，美國啟動ABR項目，由愛達(dá)荷國家工程和環(huán)境實驗室和麻省理工學(xué)院聯(lián)合研究，主要開展用于嬗變錒系元素的鉛鉍快堆的基礎(chǔ)科學(xué)研究。在ABR項目中，所設(shè)計的反應(yīng)堆熱功率為700MWt，電功率為300MWe，候選燃料為氮化物燃料和金屬燃料，二回路采用超臨界CO2布雷頓循環(huán)。研究人員針對ABR反應(yīng)堆開展了乏燃料嬗變性能、反應(yīng)堆熱工水力特性、材料腐燭機(jī)理、鉛鉍活化特性以及反應(yīng)堆經(jīng)濟(jì)可行性和工程可行性等方面的研究，相關(guān)研究成果匯集成3份年度研究報告，并公開發(fā)布。