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新型核反应堆:行波堆发展前景展望

时间:2016-07-11  作者:佚名

论文摘要】为了促进核能的发展,一种新型的核反应堆——行波堆的概念被提出,2015年中国核工业集团与比尔盖茨签订了共同开发行波堆的合作备忘录,在此关键时刻,对于行波堆发展前景的了解,有着重要意义,本文主要介绍了行波堆的基本概念、运行原理及其所具有的优势和面临的挑战,调研结果认为国家开展行波堆的研发工作,不仅具有重要的学术价值,对探索新的核能应用和燃料循环技术、提高燃料利用率,保持核电大规模可持续发展也具有重要的现实意义。

【关键词】新型反应堆;行波堆;前景展望

0 前言

目前鉴于能源匮乏及气候问题等对化石能源的限制,核能作为一种清洁、高效、储备丰富的新能源逐渐受到世界的重视,在满足发展核电的五点必然要求前提下(即可持续性、安全性、经济性、核废料处理及防止核扩散),为了促进核能的发展,开发了一些新的类型的核裂变反应堆,如裂变聚变混合堆、模块化高温气冷堆、行波堆等。

其中行波反应堆有着尤其新颖的设计,引起了盖茨很大的兴趣,于2015年9月与中国核工业集团签署了合作备忘录,将与中国对行波反应堆共同进行研发。据称其可以更有效的利用铀,且比传统的反应堆更为安全。

先进核能系统“行波堆”的出现是一个契机,然而很多人对这种新型堆的可行性和发展前景知之不多知之不深,对于行波堆发展前景的介绍,有着重要意义。

1 行波堆概念简介

行波反应堆通过易裂变核素增殖与消耗的动态平衡使得在全寿期的任一时刻,不仅反应性基本不变,重要物理特性参数如中子注量率分布、功率分布、核素分布等形状也基本不随燃耗而改变,且以一个恒定的速度在轴向移动或在径向形成定为“驻波”[1],从而使得整个反应堆寿命为横功率运行。

它的基本思想是用一个相对较小的临界系统来形成一个临界波,点燃相对较大的次临界系统,我们假设有一个圆柱形的次临界系统,系统内易裂变核素核子密度较低,但系统内可裂变核素核子密度相对较丰富,通过在某一端添加外中子源(这个中子源可以是加速器产生的中子也可是一个临界的系统产生的中子),可以让这一端的可裂变核素转化为易裂变核素,有效增殖系数上升为1后,去掉外中子源,反应堆依然可以自行增殖,形成一个稳定向前推进的临界波。这个临界波有一些特性,在波的前端,由可裂变核素转化为易裂变核素,有效增殖系数上升,在波的后面,转化而来的易裂变核素由于消耗而减少,且生产了大量的裂变产物,导致有效增殖系数下降,两方面的作用可相互抵消[2]。

行波堆根据堆芯布置方式的不同分为轴向行波堆和径向驻波堆。

1.1 轴向行波堆

轴向行波堆根本出发点是反应堆燃料的消耗在轴向以一定的速度从一端向另一端推进。轴向行波堆在运行过程中,堆芯在轴向分为三个区:论文代写乏燃料区、主燃烧区、新燃料区。其中主燃烧区为富集燃料,中子注量率远高于其他两个区,是堆芯主要的能量来源;新燃料区可装载天然铀、贫铀、或者压水堆乏燃料等可裂变核素;乏燃料区是主燃烧区内易裂变核素消耗所积累的裂变产物。

1.2 径向行波堆

2009 年美国泰拉能源公司把CANDLE 燃烧概念“行波”在轴向传播转化为在径向形成称为驻波[3]。驻波堆在堆芯布置方式上与现有快堆差别较小,不同点是驻波堆通过专设的调换装置,定期对燃料组件进行堆内的径向位置调换,在堆内形成定位驻波实现对核燃料的自身增殖利用。径向驻波堆可降低燃料的平均燃耗深度,降低对材料抗辐照能力的要求,更易工程实现。

2 行波堆优势

行波堆易裂变核素产生并消耗的理念使得寿期初只需装入少量易裂变核素维持堆芯临界即可,且行波堆堆芯增殖所需的大量可裂变核素可来自于天然铀、贫铀、压水堆乏燃料等。这种独特的燃烧策略,使得所需易裂变核素的减少相应降低燃料的浓缩功,节约了成本;同时还提高了反应堆的安全性和可靠性[4]。

1)不需要反应性控制装置:反应堆控制更加简便,过剩反应性为0,使反应堆具有天然的固有安全性,由反应性引起的事故可以避免;没有吸收中子的控制棒,因此中子利用效率更高。

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