先進反應堆系統概念設計

李益

摘要：文章重點介紹一種先進反應堆系統的概念設想，此反應堆系統是動力堆，主要解決能源緊缺和核電站乏燃料的處理問題。該系統利用核裂變反應產生的巨大能量，采用溫差電、熱離子等熱電轉換裝置，將熱量直接轉換為電能。文章結合目前世界研究水平，提出了要將此反應堆系統商業化所要解決的關鍵技術問題，并簡單給出了此反應堆系統實現商業化的步驟和時間節點。

關鍵詞：反應堆；乏燃料；核裂變

中圖分類號：TL323 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）16-0011-03

目前世界上運行的動力反應堆系統，基本上是將裂變反應產生的能量經過冷卻劑加熱二回路（或三回路）水產生蒸汽，推動汽輪機轉動進而帶動發電機產生電能，其中能量轉換為核能轉換為熱能、熱能轉化為機械能、機械能轉化為電能。這樣使反應堆系統結構復雜，復雜的系統給反應堆動力系統的安全帶來了巨大的挑戰，而多級能量傳遞帶來了核能利用率低的結果。同時目前核電發展遇到的極大挑戰不是技術問題，而是燃料供應和廢物處理這兩個問題。為解決上述問題，本文提出了一種先進動力反應堆系統，此反應堆系統利用核裂變反應產生的巨大能量，采用溫差電、熱離子等熱電轉換裝置，將熱量直接轉換為電能，使反應堆系統結構大大簡化，而堆芯內部燃料為輕水反應堆乏燃料或者貧鈾，利用快中子特性燃燒燃料產生核能，實現在線換料并且堆芯壽命長，這樣大大簡化堆芯內部結構，增加安全性。由于該動力反應堆系統在燃料方面的優越性，使得該動力反應堆系統經濟性大大增加。此動力反應堆系統具有高燃耗、比功率高、低廢料產生、高經濟性、在線換料、無核擴散風險、高安全性、壽命長、系統結構簡單、體積小等特點。

以目前運行的成熟反應堆系統的經驗和數據為基礎，在今后的20年中，完成該堆型傳熱試驗、熱能高效轉化為電能實驗、棒束傳熱試驗、中子學驗證試驗、排散廢熱試驗、材料選擇和性能研究、安全分析等。預計在2015年完成概念設計，建成原型堆，在2050年實現商業化。

1 問題描述及該堆型基本原理

按目前鈾利用率估計現存鈾資源供應年限大約為117年，按此速度在不久的將來核電將會面臨現在火電所面臨的資源短缺問題。但是目前輕水反應堆的資源利用率很低，90%的鈾資源成為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，未燒完的和新生成的易裂變材料Pu239、U235或U233以及核燃料在輻照過程中產生的镎、镅、鋦等超鈾元素，另外還有裂變元素Sr90、Cs137、Tc99等。如果將這些乏燃料合理利用，不僅能解決乏燃料存儲問題，同時還能為人類提供具大的能源。

按照預期設計目標，此反應堆中子的有效利用率很高，因此此反應堆可以用乏燃料或者貧鈾作為燃料。原理是U238在新燃料區吸收來自燃燒區泄露的中子，轉化為Pu239，這樣就形成了新的燃燒區。裂變反應式如圖1所示：

因為天然鈾是高度次臨界的，因此U238需要吸收大量的中子而使反應堆系統變為臨界狀態。而此反應堆系統具有很高的中子有效利用率，因此可以滿足上述條件。為此中子能量譜必須足夠的硬，也就是說有效中子能量必須足夠的高。隨著新燃料區吸收大量的中子核素進行轉換，燃料燃耗就增加了，同時減緩了燃燒燃料的速度。如圖3所示為此反應堆中核素變化和燃耗情況（此圖引自快堆材料，以作為理論基礎）。

2 反應堆系統描述

該反應堆系統利用核裂變反應產生的巨大能量，采用溫差電、熱離子等熱電轉換裝置，將熱量直接轉換為電能。它由核反應堆（核能轉變為熱能）、熱傳輸系統（將熱量從堆芯導出）、熱能轉換為電能系統、剩余熱能排除系統、安全屏蔽、功率調節單元等組成。如圖4所示，為該堆型系統原理圖。

該系統直接將熱能轉化為電能，減少了熱能轉化為機械能，機械能轉化為電能的環節，有效提高了能源利用率。同時簡化系統，大大提高了系統的安全性。

該反應堆系統采用液態鋰/鈉冷卻工質將熱量從堆芯傳遞到熱電轉換熱交換器，它包括高溫液態金屬泵，金屬氣體分離器，泵驅回路融化系統，此系統具備凍

結/融化能力。

在熱電轉化單元中，可以采用較為成熟的溫差電和熱離子等轉換方式，雖然效率很低（5%左右），但系統成熟可靠，可以串聯布置多個熱電轉化單元以提高熱電轉化效率。同時應用新型高效熱電轉換方式，研發熱光伏、堿金屬等新型高效靜態能量轉換技術以及斯特林、布雷頓、朗肯等高效動態轉換技術以提高熱電轉換效率。

再釋熱器同樣采用串聯布置多級釋熱裝置以將剩余熱能完全導出。而在此環節可有效地利用剩余熱量，例如供暖等。

核反應堆是核能轉化熱能的重要裝置，此反應堆系統結構簡單，反應性保持穩定，實現在線換料，無核擴散風險，因此安全性特別高。堆型采用壓力容器式，只有一個回路，這樣減少管道布置，堆型分布緊湊，可接多個環路以提高能量利用效率。圖4只是該系統的原理圖。在本堆型設計時，將核燃料、熱傳輸系統（將熱量從堆芯導出）一體化，全部集中在一個棒束上，堆內均勻分布多組棒束。圖5為棒束分布示意圖（根據設計理念，用MCNP程序畫出的簡圖，用以后期分析應用）。裂變產生的巨大能量被鋰/鈉冷卻工質帶出堆芯，傳遞給熱點轉換交換器。

3 技術特性

該堆型先進性包括：

（1）高燃耗，有利于核燃料利用。該堆型是快中子譜反應堆，燃料是乏燃料或貧鈾，低廢物生產，不需要后處理，為解決乏燃料提供一種好方法。

（2）系統結構簡化：由于本反應堆系統只有一個回路，減少大量設備，從而使反應堆和安全殼更加緊湊，壓力容器、安全殼、廠房都更小。與傳統堆型相比，取消了蒸汽發生器、穩壓器、二回路系統、汽輪機系統等。因此次堆型裝置流程簡單，系統簡化。

采用熱電轉換裝置，減少能量轉換過程，大大提高系統能量轉換效率。