釷基氣冷快堆中233U與239Pu的增殖性能研究

韓 冬 鄒春燕 蔡翔舟 陳金根

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800）

2（中國科學(xué)院先進核能創(chuàng)新研究院 上海 201800）

3（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

氣冷快堆（Gas Cooled Fast Reactor，GFR）是第四代反應(yīng)堆國際論壇（Generation IV International Forum，GIF）的6 種候選堆型之一，設(shè)計上采用閉式燃料循環(huán)和高溫氦氣作為冷卻劑［1］。氣冷快堆是快中子能譜反應(yīng)堆，采用氦氣冷卻、閉式燃料循環(huán)。氣冷快堆的堆芯出口氦氣冷卻劑溫度很高，可以用于發(fā)電、制氫和供熱［2］。參考堆的功率為2 400 MWth，堆芯出口氦氣溫度850 ℃，氦氣氣輪機采用布雷頓循環(huán)發(fā)電，熱效率可達48%。產(chǎn)生的放射性廢物極少和有效地利用鈾資源是氣冷快堆的兩大特點：通過快譜嬗變錒系元素和再循環(huán)相結(jié)合，氣冷快堆大大減少了長壽期放射性廢物的產(chǎn)生；與采用一次通過燃料循環(huán)的熱譜氣冷反應(yīng)堆相比，氣冷快堆的快譜能夠更有效地利用可用的裂變和增殖材料（貧鈾和釷）［3］。氣冷快堆在設(shè)計上采用鈉冷快堆（Sodium Cooled Fast Reactor，SFR）的燃料回收工藝和高溫氣冷堆（Very High Temperature Gas Cooled Reactor，VHTR）的反應(yīng)堆設(shè)計，包括結(jié)構(gòu)、材料、組件以及熱工轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。此外還要針對氣冷快堆獨有特點進行堆芯和安全設(shè)計。由于氣冷快堆的研發(fā)難度大，技術(shù)成熟度低，迄今為止國際上尚未建造過真正的氣冷快堆［4］。

迄今為止，能夠用于反應(yīng)堆的易裂變核素有三種：235U、239Pu 和233U。為了大規(guī)模利用核能以及為工業(yè)化世界提供長期穩(wěn)定能源，需要用豐富的可裂變核素238U和232Th生產(chǎn)易裂變核素［5］。天然釷中不含易裂變核素，而天然鈾中易裂變核素僅占0.7%。235U 是唯一存在于自然界中的易裂變核素，隨著核能的不斷發(fā)展，核燃料的可持續(xù)供應(yīng)將成為亟需解決的關(guān)鍵問題之一。……