快中子增殖堆

1、P58 3.5快增殖堆3.5.1热中子堆和快中子堆核反应堆按照中子的反应速度可以分为热中子堆和快中子堆。通常的核裂变反应堆使用的核材料都包含了铀235和铀238。其中铀238的含量为总体含 量的95%97%，而能够产生核裂变反应的只有少量的铀235。并且，铀238对高速中子的 捕获能力比铀235强，在裂变反应中，铀238吸收了大多数中子，同时由于中子的注量率 降低，使得链式反应不能持续进行。为了降低铀238对中子的吸收，提升核燃料链式裂变 反应的效率，需要采用中子慢化剂将高速中子减速成为速度较慢的热中子。中子慢化剂是由 较轻的原子核构成，比如轻水、重水等，利用其中的氢原子与中子碰撞，来达到减速

2、中子的 目的。这种利用热中子使铀235裂变的核反应堆，叫做热中子堆。核裂变时产生的中子，如果不采用慢化剂减速，称作快中子。快中子轰击铀238时，铀238 会以一定的比例吸收这种快中子，变为钚239。快中子反应堆的反应过程：速度较慢的热 中子被铀235吸收后，会发生裂变。而钚239可以吸收一个快中子而裂变。钚239是比铀 235更好的核燃料。铀238先吸收快中子变为钚239，再由钚239进行核裂变，裂变会发 生质量亏损，释放的能量以热能的形式散发，运到外部后加以利用。在快中子增殖堆内，核燃料是在增加的。因为每个铀235裂变产生的中子可以使1216个 铀238变成钚239，即就是一边消耗核燃料钚，

3、一边通过反应产生钚，但是产生的消耗的 多，所以最终核燃料是增加的。因此这种反应堆被叫做快中子增殖反应堆。中子增殖堆利用铀资源的效率几乎高达100%，另外中子增殖堆还可以让核燃料充分燃烧， 减少了污染物质的排放。尽管如此，这种反应堆并未大量使用。因为在核反应器中制造更多 的核燃料是有风险的产生的钚可能会促进核子增生反应同时提炼钚必须进行燃料的再制， 该过程会产生放射性废料，还有可能造成大量放射线外泄，引发更严重的环境问题，再加上制造的核燃料可能被用于制造核武器，在限制核武器上还有顾虑。3.5.2快中子增殖堆与轻水堆的比较快中子增殖堆和轻水堆是目前利用比较广泛的两类核反应堆。快中子增殖反应堆（FB

4、R）即快中子堆，是直接利用快中子对核材料进行轰击，从而引发链 式反应，因而这类反应堆中不使用中子慢化剂，使用的冷却剂是液态金属Na。快速增殖反 应堆中使用的核燃料包括杯和铀，其中易裂变杯的含量约为16%21%，贫化铀的含量约为 79%84%。具体增殖过程包括:杯239裂变释放中快中子，铀238与快中子碰撞，转变为 杯239，杯239继续释放出快中子参与反应堆。在核反应堆中，新产生的核燃料与所消耗 的核燃料之比叫做转换比。当这个比值大于1时，也叫做增殖比。在快中子反应堆中，杯 239裂变一次产生3个中子，其中的一个中子用于维持链式反应，剩下的两个中子被铀238 吸收后产生一个以上新的核材料钚23

5、9。所以快速增殖堆的转换比较大约为1.2。轻水堆是热中子反应堆的另一种。它包括沸水反应堆（BWR）和压水反应堆（PWR）。 轻水堆利用轻水作为慢化剂，将核裂变产生的高速中子减速为热中子。轰击核燃料中的铀 235，继而引发链式反应。轻水堆使用的冷却剂也是轻水，它的核燃料的来源是自然界中的 铀，但是核燃料中可以产生裂变反应的只占3%5%，其余不能被轻水利用的是铀238。 一个铀235裂变时平均可以产生2.43个中子。由铀235的浓缩都较低，所以这种反应堆 的转换比只有0.6左右。但是轻水反应堆是目前世界上核反应堆的主要堆型。3.5.3利用快中子增殖堆实现杯燃料的增殖快中子增殖反应堆（Fast br

6、eeder reacto），又称快中子滋生反应堆、快滋生反应堆、快堆 等，是一种核子反应器，利用快史壬被增殖性材料吸收而变成可裂变物质，而产生自行制造 核燃料的效果，制造燃料多于消耗燃料的，就称为快滋生反应器。另外也有利用热中子进行 滋生反应的“热滋生反应器”。其工作原理是先用一个中子轰击杯239，杯239在捕获一个中子后发生裂变反应，生成两 个或两个以上原子序数较小的原子同时释放出23个中子，并释放能量。产生的中子中有 一个会引起其他杯239进行裂变反应。而剩下的中子被核燃料中的铀238复活成为铀239， 并以锋（Np）作为中间体，产生两次B衰变后蜕变成钚239。下面的反应式表示出了铀 23

7、8被一个中子轰击，发生B衰变并生成钚239的过程。238U + m T 239U - 239Np 片 239PU 9209293 94可以看出，一块天然铀中不但有钚239的链式反应。而且还会由于铀238的不断衰变产生更 多的钚239。只要反应堆中有源源不断的铀238输送，就会一直产生更多的钚239,从而实 现了钚燃料的增殖。3.5.4快中子增殖堆（FBR）的结构快中子增殖堆主要由核燃料（堆芯）、控制棒、中间热交换器、汽轮发电机等几部分组成。堆芯位于增殖堆的中央部位，是由直径约为1m的核燃料组成。堆芯采用的是由钚和铀混 合而成的MOX（混合氧化物燃料），目前使用最多的是。2和PuO2。贫化铀燃料

8、（铀238和少 量的铀235）包围着堆芯的四周，构成增殖层，铀238转变成钚239的过程主要是在增殖层 中进行的。快中子增殖堆中的核反应非常剧烈，所以必须使用导热能力很强的液体把堆芯产生的大量 热带走，同时利用这些热来发电。钠导热性能高而且不容易减慢中子的速度，不会妨碍快堆 中链式反应速度的进行，所以是理想的冷=冷却液体。在实际反应堆中，堆芯和增殖层都浸 泡在液态的金属钠中，从而实现反应系统的迅速冷却和热量的传递。反应堆中使用了吸收中子能力很强的控制棒，靠它插入堆芯的程度来改变堆内中子的数量， 以便调节反应堆的功率。钠冷却系统分为一次系统钠和二次系统钠，是为了使放射性的堆芯 同发电部分隔离开。一次钠系统直接同堆芯接触通过热交换器将反应堆中产生的热量交换给 二次系统钠。二次系统钠用来加热锅炉，通过蒸汽发生器使水转变为蒸汽，驱动汽轮机发电。核反应堆的比较对核裂变起作用的中