 01 支队介绍 核芯威力支队为清华大学工程物理系“核能兴邦—第七期”社会实践项目的子支队。 支队共由15名成员组成，成员均来自清华大学工程物理系工物02班，为班团实践支队。支队邀请了工物02班辅导员邹铨作为带队辅导员，同时邀请了工物系黄善仿老师作为支队指导老师。 支队主要实践方向核能科学、辐射成像、核安保。实践地为中国原子能科学研究院、同方威视技术股份有限公司（密云）、国家核安保技术中心。支队实践内容包括线下参观交流、校友访谈、党史学习等等。主要目的为帮助同学们了解工物系本专业研究方向，加强同学们的专业认知。 本文将简要介绍核芯威力支队预调研内容中的一项——钠冷快堆。 02 钠冷快堆基本介绍 钠冷快堆，全称钠冷快中子反应堆，是一种以液态钠为冷却剂，由快中子引起核裂变反应并维持链式反应进行的反应堆，属于第四代核反应堆。  中国实验快堆模型（图源：百度） 钠冷快堆对于缓解日渐紧张的核燃料供应，解决核废料污染缓解的问题有着重大意义。1986年，我国出台了“国家高技术研究发展计划”（简称863计划），计划中就包含了中国实验快堆这一项目。中国实验快堆位于北京西南郊的中国原子能科学研究院，于1992年获得国务院批准立项，2011年成功并网发电，是我国第一座快堆。 03 钠冷快堆基本原理 传统反应堆的原理与局限 传统核反应堆主要利用铀235的裂变产生的链式反应来产生能量。 在铀235原子的链式反应中，一个铀235原子吸收中子后发生裂变，产生2~3个中子，新产生的中子继续与其他铀235原子反应，形成指数级加强的反应。  链式反应示意图 然而，现实中的铀燃料中总是含有一部分的铀238。铀235裂变后产生的中子中，一部分是能量较大、速度较快的快中子，另一部分为能量较低、速度较慢的热中子。 快中子能够与铀238反应而裂变，但是裂变产生出的中子却是热中子，铀238无法与热中子发生裂变反应，这导致了铀238无法支撑链式反应，技术上想要利用铀238的裂变反应十分困难。但是铀238可以缓慢地吸收能量较低的中子，经过一系列衰变转化为钚239。 而铀235容易和热中子发生裂变反应，不容易与快中子发生反应，如果使用慢化剂将反应产生的快中子变为热中子，既可以减少中子与铀238的反应，也可以增加中子与铀235的反应，提高反应中中子的利用率，让铀235浓度较低的核燃料也可以用于反应堆发电。因此，现今主要的反应堆主要利用铀235与热中子的反应。 铀235在中子能量较低时更易裂变 然而，在自然界中存在的三种铀同位素中，铀235只占了0.7%，其余的铀几乎都是铀238，铀235资源的短缺限制了核能的发展。并且，铀235的裂变反应会使核燃料中的铀238转化为钚239。钚239逐渐积累，产生了大量的乏燃料，这些乏燃料无法再作为传统热中子反应堆的燃料，带来严峻的环境污染问题。 钠冷快堆的独有特性 乏燃料中积累的钚239无法与热中子反应，但是却可以和快中子产生裂变反应，同时，如果将铀238放置在钚239反应区的外围，那么铀238就可以捕获反应产生的中子，并且经过衰变转化为钚239，甚至可以实现由铀238转变得到的钚大于裂变所消耗的钚，实现核燃料增殖。  钠冷快堆结构示意图（图源：百度） 同时，由于钚239的核裂变反应放热速率较大，传统的冷却剂无法将裂变反应产生的热量充分带出。而金属钠沸点高，可以在较高的温度下保持液态，不易产生钠气泡，让液态钠的导热率比水高数百倍，同时，钠对于中子的慢化效果较弱，使得快中子损失较少，是一种较为合适的冷却剂。除此之外，也有其他种类快堆选用液态铅、氦气等作为冷却剂，但目前，钠冷快堆的技术最成熟，最接近商用。 利用快中子与钚239的裂变反应与铀238转化为钚239的反应，可以很大程度上缓解核废料污染与铀235资源枯竭的问题，对于可持续利用核能，引导核能成为彻底的清洁能源有着重大意义。 04 钠冷快堆的安全特性 钠冷快堆的本征安全性 钠的沸点较高，液态钠有很强的导热以及储热能力，可以保证堆芯和燃料不会过热。在核电站事故发生时，回路内的液态钠会大量接收从堆芯导出的剩余热量，有助于为事故的处理争取足够充分的时间。对于突发性的事故有着很强的适应能力。而钠冷快堆基本是在常压下运行,给反应堆的设计带来了很大的优势。 另一方面，钠与中子发生反应生成的产物半衰期均较低，并且衰变产生的射线也很容易被屏蔽，产生的放射性污染很小。  钠冷快堆的非能动余热排出系统[2] 钠冷快堆的独特安全设计 钠是一种化学形式活泼的金属，能够与水、氧气反应。如何防止钠的燃烧或者爆炸事故，是钠冷快堆设计的一项重要内容。以中国实验快堆（简称CEFR）为例。由于微粒状钠在120℃以下时会与空气反应发生爆燃，CEFR在所有钠系统外围设置保温层，保证基本不会发生钠爆燃事故，同时为了以防万一，发生钠的泄漏事故时，采用铺设在钠系统下方的钠接收盘，确保大部分钠不会燃烧。而对于钠与水的反应，CEFR采用及其灵敏的氢气检测系统，如果检测到了氢气，如果经确认的确是由钠与水反应产生，则会进行停堆维修。对于钠或水大量泄漏的情况，还会启用专门的保护系统，隔离水与钠，并且执行停堆。 05 总结 在核燃料短缺与乏燃料处理问题日渐严峻的当下，国际社会对于快堆的技术重要性产生了普遍共识，钠冷快堆这一技术的发展与普及，对于核能的可持续发展有着极其重大的意义。后续核芯威力支队将在前往中国原子能科学研究院的线下参观中更深入地对钠冷快堆展开调研。 参考文献 [1]何佳闰，郭正荣. 钠冷快堆发展综述 [2]徐 銤，杨红义. 钠冷快堆及其安全特性  工物实践 心怀天下 求索新知，笃信躬行 知行合一，行践天下 |
|
|
