Alessandro Alemberti

Ansaldo Nucleare SpA, Genova 16159, Italy

鉛冷快堆：未來(lái)的機(jī)會(huì)？

Alessandro Alemberti

Ansaldo Nucleare SpA, Genova 16159, Italy

1.引言

作為第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇技術(shù)路線圖中的六個(gè)反應(yīng)堆概念之一，鉛冷快堆(LFR)的發(fā)展近年來(lái)非常引人注目，若干國(guó)家也在從事其研發(fā)工作[1,2]。LFR的優(yōu)勢(shì)在于其系統(tǒng)的內(nèi)在特性可完全滿足第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇(GIF)的目標(biāo)的要求。該系統(tǒng)的極其重要的特征是具有良好的安全特性，因?yàn)榘踩蔀檫x擇下一代核能系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

本文簡(jiǎn)要介紹了各種正在進(jìn)行的與LFR相關(guān)的研發(fā)項(xiàng)目和研究進(jìn)展。利用液態(tài)鉛作為冷卻劑將徹底改變反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)方式，并為本文將介紹的創(chuàng)新提供了幾種可能性。

2.為什么選擇鉛冷快堆？

本節(jié)根據(jù)近幾年的技術(shù)發(fā)展分析了LFR系統(tǒng)的主要特征。2.1.可持續(xù)性

LFR可保證能源的長(zhǎng)期可持續(xù)性供應(yīng)。LFR利用鈾钚混合氧化物(MOX)燃料或更先進(jìn)的燃料(如氮化鈾)進(jìn)行最初裝載，需要依賴現(xiàn)有的針對(duì)MOX的輕水反應(yīng)堆(LWR)技術(shù)或開(kāi)發(fā)新的更先進(jìn)的生產(chǎn)和再生燃料循環(huán)。當(dāng)燃料從反應(yīng)堆中取出時(shí)，對(duì)其進(jìn)行再加工，以對(duì)提取出的短壽命裂變產(chǎn)物(需衰變幾百年才可達(dá)到無(wú)害水平)進(jìn)行適當(dāng)處理(如地質(zhì)深埋處置)。經(jīng)再加工后，燃料被重新送入反應(yīng)堆，其中添加了常見(jiàn)的天然鈾或貧鈾，以取代目前LWR中正在使用的濃縮鈾。這樣，世界上的鈾儲(chǔ)量的豐度將比現(xiàn)在的技術(shù)(僅利用了燃料裝載的1 %~2 %來(lái)生成能量)所需的鈾儲(chǔ)量高50~100倍。由于LFR壽命中所需的鈾量減少了，這種能源的開(kāi)采時(shí)間由數(shù)百年延長(zhǎng)至數(shù)千年。這是快中子反應(yīng)堆系統(tǒng)的共同特點(diǎn)，它為自然資源的充分利用提供了一種新的方式，并極大地減少了長(zhǎng)壽命放射性廢物的產(chǎn)量。

事實(shí)上，核能最重要的問(wèn)題之一是社會(huì)層面的，而且通過(guò)目前的技術(shù)尚未解決：核設(shè)施產(chǎn)生的長(zhǎng)壽命放射性廢物需要在專門的儲(chǔ)藏室中儲(chǔ)存成千上萬(wàn)年。快中子反應(yīng)堆技術(shù)有望解決這個(gè)問(wèn)題。如前文所述，來(lái)自供應(yīng)鏈的廢物只包括衰減時(shí)間為幾百年的裂變碎片，使得對(duì)這種放射性廢物的處置在經(jīng)濟(jì)上更加可行，在管理上也更加可靠。钚和次錒系元素在反應(yīng)堆內(nèi)即可被回收，因?yàn)榉磻?yīng)堆可實(shí)現(xiàn)燃料的“閉合循環(huán)”。主要的技術(shù)依據(jù)是：在一段時(shí)間后，反應(yīng)堆內(nèi)的钚和次錒系元素會(huì)達(dá)到數(shù)量平衡。這樣，核反應(yīng)堆的產(chǎn)物在燃燒時(shí)就不會(huì)生成這些元素。最終儲(chǔ)藏室中只儲(chǔ)存裂變產(chǎn)物，這樣不僅減小了儲(chǔ)藏室自身的大小，同時(shí)提高了最終儲(chǔ)存的安全性，因?yàn)樾枰乃プ儫釡p少了。然而，最明顯的效果是放射性廢物達(dá)到較低的天然放射性水平所需的儲(chǔ)存時(shí)間縮短了：只需要幾百年，而不是目前技術(shù)所需的成千上萬(wàn)年。

2.2.安全性

由于采用液態(tài)鉛作為冷卻劑，LFR有較高的安全性。和其他液體不同，鉛不需要增壓(液態(tài)鉛在常壓下的沸點(diǎn)為1743 °C)；且運(yùn)行過(guò)程中也不會(huì)產(chǎn)生氫氣或其他爆炸性氣體。使用液態(tài)鉛可以在一回路中引入衰變熱排出系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的運(yùn)行符合基本物理定律而且不需要外部電源。這種系統(tǒng)通常是主動(dòng)激活且非能動(dòng)運(yùn)行的，但對(duì)某些設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，激活和運(yùn)行都可以通過(guò)非能動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)。這些非能動(dòng)系統(tǒng)即使在極端事件的情況下也可以確保運(yùn)行，其最終目標(biāo)是阻止放射性核素在安全殼外部擴(kuò)散。因此，即使在極端事故中，預(yù)計(jì)LFR對(duì)安全殼外部的環(huán)境也不會(huì)產(chǎn)生影響，這極大地增加了這項(xiàng)技術(shù)的社會(huì)可接受度。

最后，一些正在研發(fā)的方案希望將燃料再處理廠與核反應(yīng)堆建在一起；也就是說(shuō)，一旦完成燃料的初始裝載，現(xiàn)場(chǎng)只需補(bǔ)給天然鈾，且只有裂變產(chǎn)物被排出。這樣就極大地降低了運(yùn)輸導(dǎo)致的意外污染的可能性，也提高了燃料轉(zhuǎn)移相關(guān)的安全等級(jí)。在LFR臨時(shí)系統(tǒng)指導(dǎo)委員會(huì)(PSSC)的支持下，GIF的反應(yīng)堆安全工作組最近發(fā)布了一份關(guān)于 安全的白皮書，可在GIF官方網(wǎng)站上免費(fèi)下載[3]。

2.3.經(jīng)濟(jì)性

經(jīng)驗(yàn)表明，新型先進(jìn)核能系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行的總成本很難量化。同時(shí)必須注意的一點(diǎn)是，即使一項(xiàng)眾所周知的技術(shù)(如LWR系統(tǒng))的施工成本也可能有很大的成本變動(dòng)，且和最初預(yù)算相比可能有明顯的增加。顯然，在一項(xiàng)新技術(shù)的原型堆或示范堆中，正確預(yù)測(cè)投資的不確定性會(huì)更高。但是，對(duì)于LFR來(lái)說(shuō)，它的某些特征表明其很可能有良好的經(jīng)濟(jì)效益。這些特征和冷卻劑的特異性有很大的關(guān)系。

(1) 冷卻劑的化學(xué)惰性可在設(shè)計(jì)層面上加以利用，以簡(jiǎn)化反應(yīng)堆系統(tǒng)。例如，LFR不需要安裝復(fù)雜且昂貴的中間回路系統(tǒng)就可以將一次冷卻劑與最終的二次冷卻劑(通常是水)隔離。目前的設(shè)計(jì)希望將直流蒸汽發(fā)生器設(shè)置在高壓狀態(tài)下。數(shù)值模擬顯示二次冷卻劑循環(huán)性能可提高40 %。

(2) 液態(tài)鉛極高的沸點(diǎn)防止了局部冷卻劑沸騰。因此，其他冷卻劑由于沸騰引起的安全性挑戰(zhàn)在LFR中不會(huì)出現(xiàn)，并且冷卻劑自身的特性保障了反應(yīng)堆的固有安全。

(3) 一次冷卻劑系統(tǒng)可在接近常壓的狀態(tài)下運(yùn)行。這樣就 避免了如在LWR技術(shù)中需要引入的昂貴且可能很復(fù)雜的系統(tǒng)即可維持適當(dāng)?shù)膲毫\(yùn)行水平。值得注意的是，系統(tǒng)的常壓運(yùn)行和反應(yīng)堆的池式設(shè)計(jì)，實(shí)際上消除了冷卻劑喪失事故(LOCA)，再次極大地簡(jiǎn)化了安全措施，進(jìn)而帶來(lái)了積極的經(jīng)濟(jì)效果。

雖然在確定LFR系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)水平的問(wèn)題上很難得出結(jié)論，上述說(shuō)明有力地證明了該技術(shù)在應(yīng)用中已顯示出一些優(yōu)勢(shì)，且這些優(yōu)勢(shì)都?xì)w因于所選冷卻劑的基本特性。2.4.擴(kuò)散抑制和物理保護(hù)

如上所述，LFR燃料循環(huán)設(shè)計(jì)的原則是不產(chǎn)生钚或次錒系元素。相反地，LFR可通過(guò)分離裂變產(chǎn)物來(lái)循環(huán)利用現(xiàn)有的乏燃料。上文也提到了，有些LFR的設(shè)計(jì)理念是將燃料后處理設(shè)施建在反應(yīng)堆廠址內(nèi)，這樣反應(yīng)堆只需補(bǔ)給天然鈾，且只有壽命相對(duì)較短的裂變產(chǎn)物會(huì)被送出反應(yīng)堆進(jìn)行儲(chǔ)存或處置。設(shè)計(jì)為長(zhǎng)壽命或超長(zhǎng)壽命的LFR堆芯在換料周期方面顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)。換料周期的延長(zhǎng)大大降低了與乏燃料相關(guān)的擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)。最后，對(duì)乏燃料的遠(yuǎn)程處理為物理保護(hù)提供了基礎(chǔ)支持，在其他反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中通常也是如此。

上述內(nèi)容回答了本節(jié)標(biāo)題提出的問(wèn)題：“為什么選擇鉛冷快堆？”，并簡(jiǎn)要介紹了開(kāi)發(fā)這項(xiàng)全新技術(shù)背后的主要原因，該技術(shù)可能會(huì)改變當(dāng)前的核能格局。

3.鉛冷快堆研究和發(fā)展的需求

過(guò)去20年間，人們已經(jīng)處理了許多LFR設(shè)計(jì)相關(guān)的主要問(wèn)題并研究出了解決方案。反應(yīng)堆的抗震性能、蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂導(dǎo)致的一次側(cè)增壓、冷卻劑凝固的風(fēng)險(xiǎn)和其他一些問(wèn)題一度是研究活動(dòng)的熱點(diǎn)，研究得到了許多可行的且已被證明有效的解決方案。但是仍然存在一個(gè)必須詳細(xì)解決的問(wèn)題：液態(tài)鉛對(duì)結(jié)構(gòu)材料的腐蝕問(wèn)題仍然懸而未決，需要進(jìn)一步研究。

液態(tài)鉛對(duì)材料的腐蝕作用主要是因?yàn)椴牧系闹饕煞帜軌蛉芙庥谝簯B(tài)鉛。鎳、鉻和鐵在液態(tài)鉛中的溶解度不同，且隨著溫度的升高而增大。在恒溫池里，當(dāng)液態(tài)鉛中溶解的元素達(dá)到飽和時(shí)，溶解停止；然而，在反應(yīng)堆里，由于冷熱池之間存在溫差，必須采用專門方法解決溶解度變化帶來(lái)的問(wèn)題。

由于鎳的溶解度最高，俄羅斯科學(xué)家發(fā)展了一項(xiàng)技術(shù)，采用不含鎳的材料，即鐵素體–馬氏體鋼，這種材料可利用液態(tài)鉛中的溶解氧鈍化。該技術(shù)利用了鋼的保護(hù)性氧化層。雖然這種氧化層可被流動(dòng)的液態(tài)鉛沖刷掉，但只要有足夠的溶解氧，氧化物就會(huì)再次形成，這就是“自我保護(hù)”機(jī)制。該技術(shù)是俄羅斯BRESTOD-300反應(yīng)堆項(xiàng)目的核心技術(shù)，基于過(guò)去軍用潛艇中鉛鉍冷卻反應(yīng)堆的技術(shù)。該技術(shù)是有效的，但必須保證液態(tài)鉛中溶解氧的濃度在特定范圍內(nèi)；為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們已研發(fā)出可以補(bǔ)充或除去溶解氧的特殊裝置。另外，BREST-OD-300要求使用易形成氧化層的富硅的特殊鋼。

為了實(shí)現(xiàn)核應(yīng)用，這種材料也需要進(jìn)行性能測(cè)試，包括中子通量和相應(yīng)的原子位移(dpa)，是否滿足核電站工作條件下的使用要求，以及是否準(zhǔn)備好被用于核設(shè)施。由于缺少能提供快中子通量試驗(yàn)的反應(yīng)堆，評(píng)價(jià)新材料成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)；為了評(píng)估新材料，要達(dá)到相應(yīng)的輻照劑量可能要花費(fèi)10~20年的時(shí)間。

鑒于存在上述限制條件，歐洲的研究者選擇使用已經(jīng)通過(guò)驗(yàn)證的材料，如用于鈉冷快堆的材料；這種材料在某些方面已經(jīng)符合要求，如在快中子通量下有較高的dpa。目前，針對(duì)奧氏體鋼的抗腐蝕性的研發(fā)工作正在沿著若干方向開(kāi)展，以期能夠達(dá)到理想的效果。以下幾種方式有望成功。

(1) 對(duì)于包殼材料，可采用不同的涂層工藝開(kāi)發(fā)出特殊涂層。

(2) 美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)(AISI)開(kāi)發(fā)的316L鋼在溫度低于400 °C時(shí)并不會(huì)被腐蝕，因此可用于多種部件。

(3) 形成氧化鋁保護(hù)層的奧氏體(AFA)鋼是最近研發(fā)出來(lái)的一種具有發(fā)展前景的材料。這種鋼在低氧濃度下和流動(dòng)的液態(tài)鉛中會(huì)形成穩(wěn)定的氧化鋁保護(hù)層。

(4) 其他方法試圖通過(guò)改變冷卻劑自身的化學(xué)組成來(lái)降低冷卻劑的腐蝕性。

總之，目前關(guān)于上述問(wèn)題的解決方案的研究方向有很多，其目的都是尋找一種安全可靠的解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)腐蝕的影響。其中有幾個(gè)研究方向已取得令人滿意的效果，這不僅支持了進(jìn)一步的探索研究，而且增強(qiáng)了即將找到可能的解決方案的信心。

4.過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)和世界各地正在進(jìn)行的項(xiàng)目

1942年，美國(guó)首次提出了利用液態(tài)重金屬作為反應(yīng)堆的冷卻劑。但是，在進(jìn)行了一些非常初步的測(cè)試后，研究者遇到了一些困難，主要與結(jié)構(gòu)材料的腐蝕性和LFR較長(zhǎng)的燃料倍增時(shí)間相關(guān)。隨著一些測(cè)試結(jié)果在20世紀(jì)50年代被公布，美國(guó)的努力止步了[4]。

與之相反，俄羅斯科學(xué)家和工業(yè)界積極開(kāi)展了與液態(tài)重金屬應(yīng)用有關(guān)的研發(fā)活動(dòng)，并獲得了十分有意義且令人關(guān)注的進(jìn)展。20世紀(jì)50年代，液態(tài)重金屬技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于軍事，鉛鉍共晶體(LBE)作為一種冷卻劑被用于船舶推進(jìn)系統(tǒng)中的核反應(yīng)堆。當(dāng)時(shí)解決材料腐蝕問(wèn)題的主要方式是使用氧化物鈍化技術(shù)，如上文所述。

1963年，第一艘?guī)в蠰BE冷卻反應(yīng)堆的核動(dòng)力潛艇投入使用。20世紀(jì)70年代，幾艘“阿爾法級(jí)”(北大西洋公約組織(NATO)代號(hào))也稱“Lira級(jí)”(蘇維埃社會(huì)主義共和國(guó)聯(lián)盟(USSR)代號(hào))攻擊核潛艇投入使用?？傮w來(lái)說(shuō)，通過(guò)上述反應(yīng)堆和兩個(gè)陸地技術(shù)原型反應(yīng)堆的運(yùn)行過(guò)程，俄羅斯科學(xué)家積累了80堆年的經(jīng)驗(yàn)和反饋資料。在此期間遇到了很多問(wèn)題，如蒸汽發(fā)生器漏水、生成固體氧化物導(dǎo)致的堆芯流道阻塞、冷卻劑凝固和釙的產(chǎn)生。從這些早期的經(jīng)驗(yàn)中得到的教訓(xùn)促使俄羅斯科學(xué)家找到了與LBE應(yīng)用相關(guān)的問(wèn)題的解決方案。

在歐洲，最早關(guān)于LBE和鉛冷卻劑的研究始于1995年，且與加速器驅(qū)動(dòng)次臨界潔凈核能系統(tǒng)(ADS)概念的發(fā)展相關(guān)，隨后又進(jìn)行了臨界反應(yīng)堆的概念設(shè)計(jì)。自那時(shí)起，歐洲就建成了許多核設(shè)施，而且至今仍在運(yùn)行。

在GIF內(nèi)部，關(guān)于LFR概念的活動(dòng)始于2006年。歐洲共同體、俄羅斯、日本和韓國(guó)已經(jīng)簽署了一份合作諒解備忘錄(MoU)，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了合作。美國(guó)和中國(guó)也作為觀察員參與了該MoU的活動(dòng)。

目前，與LFR技術(shù)發(fā)展有關(guān)的幾個(gè)項(xiàng)目正在多個(gè)國(guó)家開(kāi)展。以下是這些項(xiàng)目的簡(jiǎn)要介紹。

4.1.俄羅斯

俄羅斯在LFR發(fā)展方面顯然是最先進(jìn)的國(guó)家，過(guò)去從潛艇推進(jìn)系統(tǒng)中獲 得的經(jīng)驗(yàn)?zāi)壳?正被用于兩個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。

SVBR-100是一種100 MWe的LBE冷卻反應(yīng)堆，其設(shè)計(jì)理念直接源自潛艇反應(yīng)堆。其設(shè)計(jì)正 處于進(jìn)展期，預(yù)計(jì)會(huì)得到民營(yíng)和政府合作伙伴的資助。

BREST-OD-300是300 MWe的鉛冷卻反應(yīng)堆，完全由政府提供 資金，預(yù)計(jì)于2016年至2017年開(kāi)工建設(shè)。該設(shè)計(jì)將LBE冷卻系統(tǒng)研發(fā)的技術(shù)進(jìn)行了適當(dāng)修改后用于純鉛冷卻 劑?；诳沙掷m(xù)性和安全性考慮，設(shè)計(jì)者采用了一種非常特別的用于非能動(dòng)余熱排出的系統(tǒng)。該項(xiàng)目 也預(yù)計(jì)在反應(yīng)堆廠址內(nèi)建一個(gè)燃料后處理廠，以在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中盡量避免燃料的運(yùn)輸。關(guān)于BREST-OD-300的發(fā)展與特征的一些基本信息請(qǐng)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[5]。

4.2.歐洲

在歐洲，最初的研發(fā)僅限于ADS概念，其目的是在通過(guò)嬗變處理前幾代反應(yīng)堆放射性廢物的同時(shí)產(chǎn)生能量。在這一系列行動(dòng)后，大量獲歐盟委員會(huì)(EC)支持的項(xiàng)目開(kāi)始啟動(dòng)，其中最重要的一些項(xiàng)目包括PDS-XADS、EUROTRANS、ELSY、LEADER、MATTER、SILER、HELIMNET、MAXSIMA和MYRTHE。有興趣的讀者可在網(wǎng)上很容易地找到有關(guān)這些項(xiàng)目的更多信息。

繼這些最初的努力之后，研發(fā)活動(dòng)集中于一種工業(yè)規(guī)模的參考電站——?dú)W洲鉛冷快堆(ELFR)，其規(guī)模為600 MWe(基于之前在ELSY項(xiàng)目中開(kāi)展的一項(xiàng)概念設(shè)計(jì))；另一個(gè)關(guān)注點(diǎn)是一種更小的示范堆，被稱為歐洲先進(jìn)鉛冷示范快堆(ALFRED)，其規(guī)模為125 MWe。這兩種概念設(shè)計(jì)均在LEADER項(xiàng)目的框架內(nèi)進(jìn)行，且在參考文獻(xiàn)[6]中有詳細(xì)介紹。

目前的活動(dòng)聚焦于ALFRED，這是歐洲最早實(shí)現(xiàn)的LFR。羅馬尼亞在核研究中心規(guī)劃了一處ALFRED廠址，位于Mioveni。一個(gè)由安薩爾多核能公司(意大利)、歐洲核能機(jī)構(gòu)(ENEA) (意大利)、皮特什蒂核研究所(ICN) (羅馬尼亞)和雷茲核研究所(CV-REZ) (捷克共和國(guó))作為主要參與者構(gòu)成的聯(lián)盟于2013年成立。該聯(lián)盟的主要目標(biāo)是推進(jìn)鉛冷技術(shù)的發(fā)展，以啟動(dòng)示范堆項(xiàng)目的建設(shè)。目前的工作計(jì)劃包括2023年之前的研發(fā)活動(dòng)，之后是反應(yīng)堆的建設(shè)。然而，這樣的計(jì)劃強(qiáng)烈依賴于資金的可用性，若無(wú)法保證提供充足的資金，則計(jì)劃進(jìn)程可能會(huì)被嚴(yán)重推遲。

與此同時(shí)，SCK·CEN在開(kāi)展高科技應(yīng)用多功能混合動(dòng)力研究反應(yīng)堆(MYRRHA)的設(shè)計(jì)，這是一種LBE冷卻的ADS，可被用作輻照實(shí)驗(yàn)裝置，也可為快中子反應(yīng)堆燃料或材料的評(píng)估提供支持。顯然，MYRRHA和ALFRED之間有著強(qiáng)烈的相關(guān)性，許多歐洲的機(jī)構(gòu)同時(shí)參與了這兩個(gè)項(xiàng)目的研發(fā)。這兩 個(gè)項(xiàng)目的成員根據(jù)各自不同的情況接受新的國(guó)際參與者。

4.3.日本

在日本，尤其是在發(fā)生了福島核事故后，LFR相關(guān)的研發(fā)工作轉(zhuǎn)向了基礎(chǔ)研究。一些概念設(shè)計(jì)仍然處于分析階段，而關(guān)于鉛和LBE的材料及材料兼容性的基礎(chǔ)研究正在開(kāi)展。然而，日本通過(guò)參與GIF仍然活躍于LFR發(fā)展領(lǐng)域，且根據(jù)以往的事故經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，正在提供關(guān)于安全性原則和應(yīng)用的非常重要的信息。日本的發(fā)展情況可在參考文獻(xiàn)[7]中了解。

4.4.韓國(guó)

韓國(guó)于2015年12月簽署了GIF-LFR MoU，通過(guò)國(guó)立首爾大學(xué)(SNU)的研究活動(dòng)和URANUS反應(yīng)堆[8]的開(kāi)發(fā)參與GIF LFR的活動(dòng)，其中URANUS是以氧化鈾為燃料的小型模塊式LBE冷卻反應(yīng)堆。該反應(yīng)堆位于地下，堆芯壽命較長(zhǎng)(燃料周期為20年)，特點(diǎn)是具有非能動(dòng)安全系統(tǒng)。該反應(yīng)堆采用一次側(cè)的全自然循環(huán)，SNU通過(guò)經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織核能機(jī)構(gòu)(OECD-NEA)發(fā)起了一項(xiàng)國(guó)際水平的基準(zhǔn)測(cè)試活動(dòng)，以驗(yàn)證系統(tǒng)計(jì)算機(jī)編碼功能對(duì)這一反應(yīng)堆設(shè)計(jì)重要組成部分的預(yù)測(cè)。SNU也致力于設(shè)計(jì)具有钚燃燒能力的PEACER-300反應(yīng)堆， 該反應(yīng)堆可在自身的封閉燃料循環(huán)中重復(fù)利 用所有的次錒系元素。

4.5.美國(guó)

雖然美國(guó)是首批嘗試使用液態(tài)重金屬作為核反應(yīng)堆冷卻劑的國(guó)家之一，但目前其開(kāi)展的項(xiàng)目十分有限，預(yù)計(jì)未來(lái)會(huì)有所增加。從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，美國(guó)開(kāi)展了兩個(gè)主要項(xiàng)目： SSTAR[9]和GEN4。兩者的目的都是開(kāi)發(fā)小尺寸和具有極長(zhǎng)的堆芯壽命的小型模塊反應(yīng)堆。

從研發(fā)的角度看，隨著利用結(jié)構(gòu)材料和多層耐腐蝕材料的共擠壓技術(shù)的開(kāi)發(fā)，在腐蝕性問(wèn)題上取得了一些引人關(guān)注的進(jìn)展。自LFR PSSC活動(dòng)開(kāi)始以來(lái)，美國(guó)在GIF中十分活躍。雖然只是觀察員的地位，但美國(guó)代表們非常積極地參與了小組活動(dòng)，為未來(lái)的發(fā)展提供了重要指導(dǎo)。另外，美國(guó)西屋電氣公司最近表示出對(duì)小型模塊式LFR開(kāi)發(fā)的興趣。

4.6.中國(guó)

中國(guó)的LFR活動(dòng)一般由中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所(INEST)主持。自這些活動(dòng)開(kāi)展以來(lái)，INEST致力于開(kāi)發(fā)一種用于發(fā)電和核廢料嬗變的ADS。中國(guó)鉛基研究反應(yīng)堆(CLEAR)項(xiàng)目計(jì)劃先建成一座CLEAR-I (10 MW)反應(yīng)堆，然后再向CLEAR-II (100 MW)和CLEAR-III(1000 MW)推進(jìn)[10]。CLEAR-I計(jì)劃采用臨界和亞臨界雙模式運(yùn)行。項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的首個(gè)階段使用了LBE冷卻劑，后續(xù)開(kāi)發(fā)階段計(jì)劃使用純鉛冷卻劑。同時(shí)，液態(tài)鉛鋰包層是最有前景的聚變堆包層，由于液態(tài)鉛鋰與鉛或鉛鉍具有相似特性，上述項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)也將有助于正在開(kāi)展的聚變堆鉛鋰包層項(xiàng)目的推進(jìn)。

雖然INEST僅作為觀察員參與了第四代LFR的活動(dòng)，但CLEAR項(xiàng)目的參與人員數(shù)量大大增加，使得該項(xiàng)目在中國(guó)的未來(lái)發(fā)展更加樂(lè)觀。KYLIN系列液態(tài)LBE實(shí)驗(yàn)回路已建成，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)材料腐蝕試驗(yàn)、熱工水力測(cè)試和安全試驗(yàn)。為了驗(yàn)證和測(cè)試鉛基反應(yīng)堆的關(guān)鍵部件和綜合運(yùn)行技術(shù)，正在建設(shè)鉛合金冷卻非核反應(yīng)堆CLEAR-S、零功率鉛基核反應(yīng)堆CLEAR-0、鉛基數(shù)字(虛擬)反應(yīng)堆CLEAR-V和強(qiáng)流氘氚中子發(fā)生器HINEG。

5.結(jié)論

自第四代核能系統(tǒng)活動(dòng)開(kāi)始以來(lái)，LFR顯示了其能夠滿足GIF的所有目標(biāo)的巨大潛力。由于前期經(jīng)驗(yàn)以及液態(tài)鉛和LBE冷卻劑對(duì)材料的腐蝕問(wèn)題，第四代反應(yīng)堆活動(dòng)曾主要關(guān)注鈉冷快堆。但近年來(lái)在應(yīng)對(duì)方法和材料技術(shù)方面的新進(jìn)展表明，流動(dòng)的液態(tài)鉛的腐蝕問(wèn)題已經(jīng)能夠被克服，而且由于鉛冷卻劑在安全方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，研究者和開(kāi)發(fā)者重新對(duì)其產(chǎn)生興趣，世界各地的幾個(gè)項(xiàng)目進(jìn)展都很迅速。LFR的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及其與第四代核能系統(tǒng)目標(biāo)的匹配性是獲得充足資金支持的重要基礎(chǔ)，在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)將核能利用推向新高度。

致謝

筆者向第四代LFR系統(tǒng)指導(dǎo)委員會(huì)的所有參與者表示感謝，感謝大家在小組中進(jìn)行的有用討論和在GIF合作活動(dòng)中的信息交流。

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2095-8099/? 2016 THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engineering 2016 , 2(1): 59—62

Alessandro Alemberti.The Lead Fast Reactor: An Opportunity for the Future? Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.01.022