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中美行波堆合作迎来重要节点

2015年09月27日01:56    来源:科技日报    手机看新闻
原标题:中美行波堆合作迎来重要节点

  本报记者 陈 瑜

  中国核工业集团公司(以下简称“中核集团”)官网24日发布消息,美国当地时间9月22日15时,在西雅图召开的中美省州合作研讨会上,中核集团与美国泰拉能源公司签署了行波堆合作文件,这是双方开展行波堆合作交流的重要里程碑。

  对于很多人来说,行波堆还是个陌生的名词。天然铀资源中易裂变的铀235只占0.7%,绝大部分是不易裂变的铀238。但同时铀238可通过吸收中子转化成为另外一种易裂变核素钚239。铀钚燃料循环成为当前核裂变能应用的主要燃料循环模式。1958年,物理学家范伯格提出了“增殖—燃烧反应堆”的概念,主要物理过程是将可转换材料如铀238在反应堆内的“原位”增殖和焚烧,把整个闭式燃料循环在同一个堆内实现,简化核燃料循环,提高一次通过模式的燃料利用率。由于该增殖焚烧过程通常有增殖行波和焚烧行波的物理图像,因此被广泛称为“行波堆”。

  2006年,比尔·盖茨在评估了所有已在理论上被研究和讨论过的核反应堆类型后,选择了行波堆,并创立了泰拉能源公司来发展这项技术。

  “行波堆(TWR)是美国泰拉能源公司对原位增殖焚烧快堆的称呼,该公司开发的实际是驻波堆方案,这是行波堆概念结合工业技术可实现性的一个拓展。”中核集团中国原子能科学研究院相关技术人员告诉科技日报记者。目前国际上一般认为,包括快堆、高温反应堆和熔盐堆等在内的六种堆型属于第四代核电技术,其中快堆是主力堆型。

  该技术人员说,行波堆技术能利用贫铀并简化燃料循环过程,除初装点火区外,后续可采用贫铀、天然铀和后处理过程中分离出来的乏燃料铀作为燃料,换料周期长并可大量使用贫铀,机组可利用率设计值高于90%,具有高效利用铀资源、减少乏燃料卸出量、简化核燃料循环等优势。

  行波堆型号是经特殊设计的金属燃料钠冷快堆,在大部分系统和设备上与常规钠冷快堆相同,但该技术人员告诉记者,在堆芯设计、燃料组件设计以及堆芯运行换料策略等方面,又与常规快堆有区别。

  从换料方案来说,常规快堆一般不进行堆内倒料操作,每个循环周期末需要卸载一定的乏燃料组件并装载新燃料组件。在整个寿期内,行波堆通过频繁的堆内倒换料操作实现贫铀材料的增殖和焚烧,并且每个循环周期不需要添加新的燃料组件。

  在堆芯尺寸上,常规快堆设计的燃料段高度一般不超过1米,堆芯设计趋于扁平化。行波堆为了减小堆芯中子泄漏,保证堆内的高增殖性能,堆芯燃料段较长,并且整个堆芯尺寸较大,堆芯初始装载燃料较大。

  常规快堆堆芯剩余反应性通常随燃耗时间的积累不断降低。由于堆芯内增殖性能较高,随着燃耗时间的积累,行波堆由燃耗引起的反应性变化有可能是正效应,并且通常可通过设计优化让燃耗反应性变化处于很小的范围内。

  在燃耗水平上,行波堆的峰值燃耗为常规快堆燃耗水平3倍以上,燃耗导致的材料辐照肿胀差别较大,高燃耗以及堆芯设计的复杂化让行波堆的设计、建造和运行面临严峻技术挑战,比如行波堆运行需要达到比较深的燃耗深度,对结构材料辐照损伤指标提出非常高的要求。

  中国原子能科学研究院是我国唯一全面开发快中子堆技术的研究院,自2009年泰拉能源公司到我国寻求合作伙伴以来,该院一直作为行波堆技术研发主体,协助中核集团开展合作和交流,自2011年起,已在国家863计划支持下开展行波堆堆芯概念设计及关键技术研究。

  相关人士透露,2013年已完成原型行波堆核心系统的概念设计,进入工程设计阶段,有望在2023年前成功建造行波反应堆的原型堆。多数受访专家认为,第四代核电技术商业化之路依然漫长,还需要解决工程化过程中安全性与经济性相关的诸多问题。

  (科技日报北京9月26日电)

(来源:科技日报)



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