鈉冷快堆明顯優(yōu)勢(shì)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(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)鈉冷快堆的明顯優(yōu)勢(shì)進(jìn)行研究，超聲無損檢測(cè)事業(yè)和核電技術(shù)的共同發(fā)展對(duì)未來的核發(fā)電的安全方面有著怎樣深遠(yuǎn)的影響和意義。

【關(guān)鍵詞】鈉冷快堆；增殖堆；裂變反應(yīng)；超聲無損

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平的逐步提高，我們對(duì)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(fā)電、水力發(fā)電、太陽能、風(fēng)能、潮汐能等辦法來獲取電能，但是火力發(fā)電或產(chǎn)生大量溫室氣體以及有害氣體，對(duì)環(huán)境污染較大；水力發(fā)電雖然對(duì)環(huán)境無污染，但破壞了周遍地區(qū)的生態(tài)環(huán)境；再談及風(fēng)能、太陽能等雖然是清潔能源，但是很難大規(guī)模的獲取收益，而且輸出并不穩(wěn)定。我認(rèn)為時(shí)下最應(yīng)當(dāng)發(fā)展的能源應(yīng)該有以下幾個(gè)特點(diǎn)：首先，對(duì)環(huán)境無污染，其次，不要破壞周邊地區(qū)的的生態(tài)環(huán)境，還有能夠產(chǎn)生持續(xù)可觀的效益。 因此，目前最適合我國發(fā)展的能源當(dāng)屬核能。

1 核電站工作原理

用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量來替代火力發(fā)電的就是核電站，核電站的能量是通過核燃料發(fā)生的核裂變產(chǎn)生的，這部分熱量就會(huì)使水加熱變成水蒸汽，這就是核能與熱能之間的能量轉(zhuǎn)化。通過系統(tǒng)的管路蒸汽就會(huì)流入到汽輪機(jī)中，這樣汽輪發(fā)電機(jī)就會(huì)工作而發(fā)電了，機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化就完成了。根據(jù)目前數(shù)據(jù)顯示，火電站的一些設(shè)備原理就是核電站中的汽輪機(jī)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(yīng)。

快堆核電站的能量轉(zhuǎn)化過程為核能轉(zhuǎn)化為熱能再轉(zhuǎn)換為電能的，而這些能量都是由快中子引起鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)所釋放出來的。快堆運(yùn)行時(shí)可以達(dá)到自給自足，即它會(huì)產(chǎn)生它所消耗的材料，而且產(chǎn)生的完全可以滿足消耗的材料，一般在鈾-238反應(yīng)后都能轉(zhuǎn)換成钚-239繼續(xù)使用，但是因?yàn)橛性O(shè)備或其他各方面的損耗，在快堆中鈾資源的利用率能達(dá)到60%—70%這樣的效果，因此材料的增殖在裂變反應(yīng)中得以實(shí)現(xiàn)。

除了核反應(yīng)堆這個(gè)必不可少的關(guān)鍵設(shè)備外，核電站中還有很多的重要設(shè)備。一般核電站的主要組成都是由主泵、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器、安全殼、汽輪發(fā)電機(jī)和危急冷卻系統(tǒng)等組成的。它們?cè)诤穗娬局蟹謩e都有各自的分工。

2 第四代核電技術(shù)

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示有6種核電技術(shù)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(shù)要求，還有三種熱中子堆滿足第四代核電技術(shù)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(jìn)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(jìn)的堆型。只有具有和滿足節(jié)約資源，投資小，安全系數(shù)大， 環(huán)保也就是最小化的產(chǎn)生廢物量和核擴(kuò)散燃料循環(huán)的預(yù)防這幾種特性的核電技術(shù)才可以稱為是第四代。

在所有的第四代核電技術(shù)的反應(yīng)堆中， 從各個(gè)方面都滿足條件并且有著很好的優(yōu)越性，可以大規(guī)模開發(fā)和應(yīng)用的應(yīng)當(dāng)非鈉冷快堆莫屬， 很多發(fā)達(dá)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(shù)要屬俄羅斯發(fā)展的最好、最先進(jìn)。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(jìn)的負(fù)荷因子技術(shù)，數(shù)據(jù)顯示它可以維持在70%左右， 并且在電價(jià)方面也有著很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，幾乎可以與當(dāng)?shù)孛弘妰r(jià)格一拼高下。

3 鈉冷快堆的明顯優(yōu)勢(shì)

3.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

目前由于壓水堆的快速發(fā)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?yàn)殁c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(shí)在钚-239的外圍再生區(qū)里放置鈾-238?？熘凶訒?huì)在钚-239發(fā)生裂變反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生，產(chǎn)生之后被外圍的鈾-238吸收，鈾-238吸收了快中子就會(huì)變?yōu)殁?239，而隨著鈾-239的不斷衰化就會(huì)有钚-239的不斷產(chǎn)生。所以，隨著钚-239裂變不斷的產(chǎn)生著能量的同時(shí)還可以使钚-239這種燃料不斷的通過鈾-238來產(chǎn)生，如果钚-239的消耗速度要低于钚-239的產(chǎn)生速度，那钚-239就會(huì)越來越多，也就意味著燃料越燒越多，從而達(dá)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(yè)的快速發(fā)展，也造成了貧鈾的量越來越大的問題，而現(xiàn)在貧鈾卻恰好可以作為快堆的能源消耗品，實(shí)現(xiàn)了可以增殖燃料的發(fā)電廠，鈉冷快堆的這一優(yōu)勢(shì)將會(huì)對(duì)解決能源問題有很大的幫助，也將會(huì)代替壓水堆而成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。

3.2 安全特性

鈉冷快堆和壓水堆相比，在系統(tǒng)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(tài)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(gè)不同的熱傳輸回路。第一回路就是第一次鈉循環(huán)系統(tǒng)，是池式結(jié)構(gòu)，它有很多個(gè)環(huán)路結(jié)構(gòu)，主泵和中間熱交換器是各個(gè)環(huán)路都有的部分，和主管道、柵板聯(lián)箱、堆芯和鈉池共同組成。第二回路的多個(gè)環(huán)路的主要設(shè)施是二次鈉泵、蒸汽發(fā)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(gòu)成有蒸汽發(fā)生器、汽輪發(fā)電機(jī)、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(qū)別。鈉冷快堆系統(tǒng)的安全性有熱響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、冷卻劑較難發(fā)生沸騰現(xiàn)象，反應(yīng)堆有著很好的負(fù)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(yōu)勢(shì)。

3.3 固有安全性

如果只對(duì)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(qiáng)和中子吸收截面小等，而且同時(shí)鈉的固有安全特性也是鈉冷快堆發(fā)展的有利因素。其固有安全特性有以下幾點(diǎn)：

第一、金屬鈉在液態(tài)時(shí)的熱導(dǎo)率相對(duì)來說較大。金屬鈉在液態(tài)時(shí)的熱導(dǎo)率在快堆堆芯溫度約450℃時(shí)能達(dá)到壓水堆中水熱導(dǎo)率的百倍以上，對(duì)于不易過熱的堆芯和燃料來說，如果在一回路中發(fā)生冷卻系統(tǒng)失電的情況時(shí)，池式快堆中的大量液態(tài)鈉就會(huì)接收堆芯事故余熱通過熱傳遞的方式傳導(dǎo)過來的熱量，實(shí)驗(yàn)堆的鈉池中的液態(tài)鈉可達(dá)200余噸，大功率商用快堆鈉池中的液態(tài)鈉可達(dá)上千噸，所以在一回路中的鈉就是第一步防線，對(duì)事故余熱的導(dǎo)出起著至關(guān)重要的作用。

第二、鈉在第一回路中的工作環(huán)境溫度在550℃左右，大氣壓下液態(tài)鈉的沸點(diǎn)卻是883℃，也就是說鈉的工作環(huán)境溫度與鈉的沸點(diǎn)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(jìn)入一回路中才是至關(guān)重要的，快堆本體采用加壓到0.05Mpa的氬氣作為保護(hù)，再加上液態(tài)鈉本身的靜壓，壓力最多也就只能達(dá)到0.15Mpa；所以，在鈉冷快堆中是不會(huì)出現(xiàn)像在高壓系統(tǒng)中出現(xiàn)的管道或容器破裂事故而使堆芯裸露的現(xiàn)象的。

4 核電聲學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)意義

目前，我國的核電站的建設(shè)正處在跨越式增長(zhǎng)時(shí)期，這個(gè)時(shí)期的核電站快速發(fā)展是對(duì)我國核電無損檢測(cè)的嚴(yán)峻的科學(xué)挑戰(zhàn)，同時(shí)這也是賦予了核電無損檢測(cè)事業(yè)的一個(gè)重要使命。如何準(zhǔn)確、可靠、快速地對(duì)核電站的重要設(shè)備的安全狀況進(jìn)行無損檢測(cè)，保證核電站安全和壽命有著重大的意義。

在第四代反應(yīng)堆中鈉冷快堆的堆型是比較先進(jìn)的，尤其是液態(tài)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(cè)就成為了一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的問題，為了加快對(duì)管道內(nèi)壁的腐蝕進(jìn)行聲成像檢測(cè)事業(yè)的發(fā)展，為無損檢測(cè)奠定基礎(chǔ)，管道的完整性研究對(duì)于鈉冷快堆就顯得尤為重要。無損檢測(cè)對(duì)核電站的設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。無損檢測(cè)對(duì)鈉冷快堆核電站的建設(shè)也有著重要的意義。

5 結(jié)論

鈉冷快堆對(duì)鈾資源的有效利用和在處理核廢物方面的優(yōu)勢(shì)，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(jié)約能源、環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展等方面的優(yōu)勢(shì)都對(duì)其未來的發(fā)展前景起著至關(guān)重要的作用.根據(jù)目前的鈉冷快堆運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，鈉火或鈉水問題是有可能在鈉冷快堆的運(yùn)行中出現(xiàn)的，但是也可以防止的，這就需要設(shè)置有效的事故監(jiān)測(cè)和事故處理系統(tǒng)來防止，同時(shí)這也就賦予了無損檢測(cè)事業(yè)一個(gè)重大的歷史使命。

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