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里程碑式重大进展!中国铅铋零功率反应堆首次实现临界

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  科技日报记者 陈瑜

  目前全世界400多座核电站的主力堆型叫热堆,在热堆中,铀-235好比煤,铀-238好比“废料”煤矸石。遗憾的是,自然界中铀-235的蕴藏量仅占0.66%,其余绝大部分是铀-238,占99.2%。

  与热堆的核燃料利用方式不同,快堆中常用的核燃料是钚-239,钚-239发生裂变时放出来的快中子会被装在反应区周围的铀-238吸收,又变成钚-239,从而使堆中核燃料变多,反应开始循环持续下去,铀资源的利用率可提高到60%—70%。这意味着相对较贫的铀矿有了开采的价值。

  快堆的另一个突出特点是核废料越烧越少。热堆反应后的剩余物的放射性仍然很强,而这些核废料在快堆反应中经过回收再利用以后,可降低放射性物质的衰变期,从而大大减少核废物处置量,因此快堆被公认为第四代核电技术。

  根据冷却剂的类型,快堆一般又可分为气冷快堆、钠冷快堆和铅/铅铋冷却快堆。

  目前快堆中,之前大家比较了解的是钠冷快堆,中国工程院院士徐銤为之已经努力了半个多世纪。

  今天,我们要认识的是另外一种快堆——铅铋冷却快堆。

  铅铋快堆与钠冷快堆同属于液态金属冷却快堆,不同的是,前者采用铅铋共晶合金作为冷却剂。

  记者12日从中核集团中国原子能科学研究院12日获悉,我国首座铅铋零功率反应堆——启明星Ⅲ号在该院实现首次临界,并正式启动我国铅铋快堆堆芯核特性物理实验。

  这被认为是我国在铅铋堆堆芯关键技术上取得里程碑式重大进展。

  瞄准铅铋堆工程化重点难点问题

  铅铋反应堆及零功率实验项目总负责人杨红义告诉记者,零功率装置是运行功率极低(最高不超过100瓦)的反应堆,以此获取的零功率实验数据如同“标尺”一般,能够对关键核数据、堆芯物理设计方法、反应堆测量技术等的准确性和可靠性进行“标定”。任何一种新型核能系统的研发过程,首先都通过研制相应的零功率装置,开展实验积累原始数据,全面掌握堆芯核参数和堆芯物理特性,并以此为基础完善热工、力学、屏蔽等反应堆其他方面的设计。

  目前不少机构在从事铅铋快堆研究,但此次临界的启明星III号零功率反应堆,是我国目前唯一堆芯带核的用于铅铋反应堆研究试验的装置。

  专家解释,该装置的设计和建设并不容易,不仅仅要能使反应堆安全受控的临界,更重要的是要有精确的测量方法对它的物理过程进行准确测量,以获取用于铅铋快堆工程化的宝贵的第一手数据。

  启明星III号瞄准铅铋快堆工程化重点难点问题,在大尺寸铅铋合金冷却剂材料中准确构建了核燃料和铅铋合金冷却剂材料交互方式,更加准确地模拟铅铋反应堆的堆芯物理特性;配备了基于不同原理的多套非能动安全停堆系统,固有安全性强;实现了集成化控制、运行和数据采集,运行与操作更便利,配备了多套实验测量系统,能够获取丰富精确的实验数据。

  有望形成可移动核电源

  成功实现临界后,启明星III号的任务并没有结束。它将开展一系列实验工作,取得的堆芯核参数实验数据,可直接用于中核集团各型号铅铋反应堆工程化设计基础核数据的宏观检验、堆芯设计与安全分析方法的全面验证,以及反应堆运行技术的创新研发。

  相比传统的反应堆,铅铋合金熔点低、沸点高,既能极大地降低设计和工程的难度,又具有更高的固有安全性和抵御严重事故的能力,更高的能量密度和更长的运行寿期。在应用方面,既可以设计为百万千瓦级的大型电厂,也可设计为兆瓦级小型模块化核电源,其中小型核电源可用于深海空间站、海上石油开采平台、南海区域的海岛开发、偏远地区的能源供给以及大数据中心等。

  “它能有多小呢,公路上跑的汽车就能运载它,是真正的可移动核电源。”专家说。

  在临界仪式上,中核集团副总经理曹述栋提到,要以2025年完成小型铅铋堆示范堆建设为阶段目标,尽快实现小型铅铋堆工程技术突破,形成型号谱系化开发能力和批量化生产应用能力。

  来源:科技日报 文中图片均来自中国原子能科学研究院

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