導語：行波堆技術(shù)工程化研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1行波堆原理

以壓水堆為代表的熱中子反應(yīng)堆和與包括行波堆在內(nèi)快堆的主要區(qū)別在于鈾的燃燒程度。天然鈾含有0.7%的235U和99.3%的238U。熱中子核反應(yīng)堆只能利用其中的235U，在中子經(jīng)濟性變得不可接受之前，只能將238U中的一小部分轉(zhuǎn)化為239Pu。因此，即使是最高效的輕水反應(yīng)堆也只能利用天然鈾中0.7%。相比之下，快中子反應(yīng)堆將238U直接轉(zhuǎn)化為可裂變的239Pu或238U，還可以實現(xiàn)燃料的增值，且功率規(guī)模越大的快堆，增值比越大。原則上只要裂變產(chǎn)物能夠被移出堆外（它們寄生吸收中子，從而逐步降低反應(yīng)堆的中子經(jīng)濟性），快堆就能夠“燃燒”掉絕大部分的天然鈾[2]。因此，熱堆-快堆耦合的閉式燃料循環(huán)系統(tǒng)是較為可行的未來核能發(fā)展路線。該閉式燃料循環(huán)系統(tǒng)可簡單概括為：天然鈾采出加工成低濃縮鈾燃料組件，供給壓水堆“燃燒”，“燃燒”后的乏燃料經(jīng)后處理提取工業(yè)钚作為快堆的燃料，同時分離出錒系核素（MinorActinides/MA）混合進快堆燃料進行嬗變。在該閉式燃料循環(huán)系統(tǒng)中，快堆既接收壓水堆的工業(yè)钚與MA作為燃料，自身乏燃料后處理后也可重復使用。整個過程既實現(xiàn)了燃料的增殖也降低了MA的含量，總體上實現(xiàn)了鈾資源的最大化利用[2]。但目前熱堆-快堆耦合的閉式燃料循環(huán)系統(tǒng)仍需要對高放射性乏燃料進行后處理，通常需要將燃料組件包殼機械地切割掉，然后在惰性氣體氛圍中進行熔融精煉，這一過程仍具有一定的環(huán)境風險；且需進行場外燃料運輸，依然存在核擴散風險。行波堆是以一種更簡單的方式來達到傳統(tǒng)快堆的功效。整堆可像蠟燭一樣“燃盡熄滅”，燃料組件可在40年的內(nèi)徹底燃燒而無需更換新的燃料組件，其需要后處理的燃料大幅減少，規(guī)?；瘧?yīng)用后，最終也無需鈾濃縮設(shè)施。由此看來，相比于熱堆-快堆耦合的閉式燃料循環(huán)系統(tǒng)，行波堆消除了環(huán)境風險與核擴散風險，燃料利用效率提高約40倍，是人類掌握大規(guī)模可控核聚變技術(shù)前，未來核能發(fā)展中最好的選擇。1996年，Teller提出了一種完全自動化的反應(yīng)堆，這個反應(yīng)堆由起“點火”作用的核心區(qū)和核燃燒波傳播區(qū)組成。核心區(qū)以235U、233U、239Pu為燃料，而核燃燒波傳播區(qū)的燃料可以使用天然采出、不需要濃縮或再加工的釷或鈾。數(shù)值計算證明了這個堆型的燃燒波和高燃耗特點是存在且可行的。Sekimoto更進一步地提出了CANDLE反應(yīng)堆這一概念，其原理是行波堆的基礎(chǔ)。如圖1所示，燃燒區(qū)的239Pu進行裂變反應(yīng)釋放出中子和能量，反應(yīng)向上進行。在燃燒區(qū)之后，天然鈾（大部分為238U）吸收中子后轉(zhuǎn)化成239Pu和燃燒區(qū)產(chǎn)生的MA一同開始進行裂變反應(yīng)。這兩個燃燒波一上一下，不斷向堆芯上部行進，直到整個堆芯反應(yīng)完畢，裂變過程才會終止。在以上過程中，類似MA這樣的長壽命高放射性毒性核素可嬗變?yōu)槎虊勖头派涠拘缘妮p核核素，顯著地降低了其乏燃料的后處理難度。通過以上原理不難看出，這種反應(yīng)堆具有以下優(yōu)點：（1）相比于輕水反應(yīng)堆和現(xiàn)有的快堆，行波堆具有極高的燃耗率，燃耗率可達30%至40%。（2）過剩反應(yīng)性為0，無需反應(yīng)性控制裝置。（3）功率峰值、反應(yīng)性等反應(yīng)堆特性參數(shù)不隨燃耗而改變，因此反應(yīng)堆運行的各階段的所需的操作都保持一致。（4）燃燒波行進方向的功率分布不隨燃耗而改變，因此功率優(yōu)化方案更簡單徹底。（5）除燃耗區(qū)外，燃料的無限增殖因數(shù)都小于1，發(fā)生嚴重事故的風險很低。（6）無需進行鈾濃縮，燃耗深度增加減少了核廢料處理量，可有效地杜絕核擴散風險。

2徑向行波堆結(jié)構(gòu)概述

行波堆根據(jù)燃燒波傳播方向可分為軸向行波堆和徑向行波堆，圖1即為軸向行波堆原理的示意，而徑向行波堆概念則由泰拉能源公司首次提出。徑向行波堆的增殖燃燒波不是從堆芯柱體的一端傳播到另一端，而是從堆芯中心向外傳播。值得一提的是，在徑向行波堆中，內(nèi)外層燃料棒會根據(jù)中子通量和燃料燃耗的變化而進行內(nèi)外更迭，這使得燃燒波在堆芯內(nèi)徑向方向“靜止不動”，形成駐波，取而代之的是燃料組件的“倒料”操作。設(shè)計上可實現(xiàn)18-24個月倒一次料和90%的燃料利用率，且換料周期可達10年，可大幅度減少乏燃料卸出和后處理壓力。從結(jié)構(gòu)上來看，行波堆主體結(jié)構(gòu)與池式鈉冷快堆大體相同，二回路（鈉-鈉）及三回路（鈉-蒸汽）及常規(guī)島可采用現(xiàn)有較為成熟的設(shè)計。如圖2，其反應(yīng)堆堆容器所包含的即為反應(yīng)堆主熱傳輸系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)上，主熱傳輸系統(tǒng)由兩個環(huán)路組成，每個環(huán)路有一個豎直安裝的主循環(huán)泵和兩臺中間熱交換器組成。由于堆芯組件較高，產(chǎn)生的壓降較大，主泵通常采用兩級泵，同時，為避免發(fā)生氣蝕，主泵轉(zhuǎn)速也設(shè)定的較低。從徑向行波堆的設(shè)計方案可以看出，其主熱傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)理論上可以沿用傳統(tǒng)的池式快中子反應(yīng)堆相應(yīng)設(shè)計，甚至可以有所簡化。除主熱傳輸系統(tǒng)外，現(xiàn)有的鈉冷快堆核島主設(shè)備的核心研發(fā)、設(shè)計和制造能力，包括設(shè)備研發(fā)設(shè)計、相關(guān)分析軟件、試驗驗證裝置及以上設(shè)備制造安裝和運行的能力也能夠滿足行波堆的工程化應(yīng)用的需求。

3行波堆工程化應(yīng)用挑戰(zhàn)

盡管行波堆有很多優(yōu)點，但是除主熱傳輸系統(tǒng)外，仍有較多技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)工程應(yīng)用還有很多挑戰(zhàn)。比如，行波堆的燃料燃耗深度可達現(xiàn)有快堆的3至4倍，如此高的燃耗深度對燃料包殼的結(jié)構(gòu)材料提出了比較苛刻的要求。如何解決高劑量快中子對包殼的損傷，保持燃料自身及包殼材料完整性，從而進一步降低堆芯設(shè)計對堆芯材料性能的要求，是行波堆技術(shù)工程化的一大挑戰(zhàn)但也是目前重點研發(fā)方向。另外，行波堆在堆芯結(jié)構(gòu)、堆芯布置方式等諸多方面與傳統(tǒng)意義的快堆有顯著差異，從而使行波堆的堆芯物理與安全性能有所不同，將現(xiàn)有的堆芯物理分析方法和工具直接用于行波堆堆芯分析有一定困難。目前據(jù)評估，泰拉能源的行波堆方案的技術(shù)成熟度接近5級，具備以完成滿足廠址階段兩評報告為目標開展全廠30%的設(shè)計工作條件；但若想達到開工條件，須完成60%的全廠設(shè)計工作且兩評報告能夠得到批準。而在行波堆之前的任何一種堆型，在它們投入到實際建造和運行前，都或多或少存在著需要去克服的缺點和挑戰(zhàn)。之前對行波堆所做的研究大部分集中于增殖和提高燃耗等方面，缺乏在系統(tǒng)層面上對中子物理、熱工水力和反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料水平的整體考慮。傳統(tǒng)的鈉冷快堆的諸多設(shè)計并不能直接用在高燃耗、長換料間隔的行波堆方案上，目前仍需要一個創(chuàng)新的解決方案以滿足行波堆堆芯乃至系統(tǒng)層面上的種種限制。由于行波堆使核能真正成為清潔、高效且可持續(xù)的能源，所以在核聚變技術(shù)成熟應(yīng)用前，都將會是最具可行性且可持續(xù)的核電技術(shù)。

壓水堆產(chǎn)生的乏燃料處理問題早已凸顯，目前我國運營中的核電站所產(chǎn)生的乏燃料，近9成儲存在機組所配備的乏燃料池中。所以持續(xù)推進研究行波堆相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)工程化應(yīng)用乃至大規(guī)模商業(yè)化發(fā)電，既可為熱堆-快堆耦合的閉式燃料循環(huán)早日形成打下基礎(chǔ)，也能夠使人類“無限”利用核能的時代早日到來，對全球能源格局產(chǎn)生深遠的影響。

參考文獻：

[1]胡贇，喻宏.行波堆中美技術(shù)合作項目進展[J].中國原子能科學研究院年報，2016.

[2]楊勇，王靜，徐銤.我國基于快堆的可持續(xù)核能系統(tǒng)發(fā)展思考[J].中國工程科學，2018，20（03）:40-46.

作者:董澤楠 單位:一重集團大連工程技術(shù)有限公司