美国铅冷快堆研究进展

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　　摘 要
　　铅冷快堆由于其高安全性和高经济性优势，已成为国内外核能应用领域的重点发展堆型。另外，该型反应堆基于其优越的堆芯能谱、功率密度以及与金属燃料如UZr合金的良好匹配等特点，是发展结合干法后处理的闭式燃料循环的理想对象。美国对铅冷快堆的研究起步较早，但受制于材料腐蚀问题，相关研究一度中止。随着该问题的解决，美国于21世纪初重启铅冷快堆的研究。凭借强大的实力，美国在小型自然循环铅冷快堆的研发方面很快处于国际领先地位。本文介绍了美国从事铅冷快堆研究的机构情况，并对美国在该领域的研究进展进行了总结。
　　关键词
　　铅冷快堆;美国;研究进展
　　中图分类号： TL433                     文献标识码： A
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 79
　　0 前言
　　20世纪50年代初，美国启动了潜艇（NS）核动力装置（NPI）的开发工作。因钠具有较好的热工水力特性，在美国被用作液态金属冷却剂，并以此建设了核动力装置的地面试验设备原型以及“海狼级”试验核潜艇。然而，运行经验表明，钠在氧气和水中化学性质十分活泼，作为冷却剂并不理想。经过数次钠/水反应事故后，反应堆设施与舱室一同被拆除，并采用压水反应堆设施取而代之。虽然美国也进行了铅铋冷却剂的研发工作，然而在结构材料耐腐蚀性，冷却剂质量控制和维护问题等方面并没有取得突破成果，因此停止了铅冷快堆的研究。
　　随着世界上大量铀矿资源的发现与开采，铀矿资料总量得到大幅度提高，因此快堆的燃料增殖显得不再如过去那么紧迫，更为重要的是，随着近10-15年材料领域的发展，欧洲科学家已经证明，不需要过多地依赖氧控系统也可以实现对铅腐蚀的控制。俄罗斯在铅冷堆军用领域取得的巨大成就，更进一步激发了美国对铅冷快堆的重视。从1997年开始至今，美国一些科研机构重新开始了一些铅冷快堆的研究。2000年，美国能源部重新启动铅冷快堆研究计划，分别设立了针对核废料嬗变处理的铅铋快堆ABR项目和针对先进核能系统开发的小型模块化铅冷快堆SSTAR项目。在ABR项目和SSTAR项目，美国均选择了自然循环冷却的技术路线，并开展了较为深入的研究。西屋公司近年来在实验快堆的研究基础上，提出热功率为500MWth（210MWe）的示范铅冷快堆概念。目前，美国在小型自然循环铅冷快堆的研发方面处于国际领先地位[1-3]。
　　1 美国的主要研究机构及研究内容
　　1.1 国家实验室
　　1.1.1 劳伦斯伯克利国家实验室
　　2005年，美国在第四届国际核能论坛框架协议的基础上成立了铅冷快堆研发临时指导委员会，该委员会编制了铅冷快堆研发计划。该堆为小型便携式反应堆，以铅作为冷却剂，铅铋作为备用冷却剂，功率在10-100MWe之间，并且具有较长的换料周期。在该研发规划的指导下，美国劳伦斯伯克利国家实验室设计研发了一款小型、密封、便携式自控反应堆（SSTAR），该堆是一款具有固有安全性的快中子增殖反应堆，使用铀-235及铀-238作为燃料，部分核燃料会因裂变反应而消耗，另一部分会捕捉反应所产生的快中子进而转换为钚燃料。该类型反应堆设计年限为30年，电功率为10MW至100MW。该反应堆可替代当今的轻水反应堆，并可出口至发展中国家，在租借国使用反应堆数十年后将整个装置运回制造国。
　　1.1.2 洛斯·阿拉莫斯国家试验室
　　洛斯阿拉莫斯国家实验室进行了钢铁在铅铋合金中的腐蚀状况的实验研究，并建立了腐蚀的动力学模型。
　　1.1.3 美国爱达荷国家工程和环境实验室
　　在美国爱德华国家工程和环境实验室，研究人员进行了使用化学缓冲系統来维持氧的含量以缓解钢材料的铅的腐蚀方面的研究。另外，研究人员还对水冷堆的分析程序进行改进，以便将其用于铅冷快堆研究分析。
　　1.2 大学及公司
　　1.2.1 内华达大学拉斯维加斯分校
　　内华达大学拉斯维加斯分校搭建了铅铋回路，并进行了铅铋合金的化学检测与控制、氧浓度传感器验证、铅铋净化工艺的开发和氧控系统的研究工作。
　　1.2.2 麻省理工学院
　　麻省理工学院开展了减缓合金材料腐蚀速率的研究工作。麻省理工学院同时开展功能梯度复合材料开发工作，以及对F91钢材和铁铬铝（Fe-12Cr-2Si）合金展开的测试工作。
　　1.2.3 西屋公司
　　2015年10月8日，西屋公司宣布寻求与美国能源部合作，进行下一代核能系统的研发。西屋公司认为，铅冷快堆系统（LFR）将在能源的可持续利用、安全性和应用灵活性上达到新的高度。西屋公司向美国能源部提交了研发铅冷快堆的项目建议书，希望获得美国能源部的资金支持，并计划在2035年建成铅冷快堆。西屋的铅冷快堆项目团队包括国家实验室成员、大学和私人部门铅冷快堆领域的专家学者。该团队计划改进现在第四代铅冷堆技术，并且设计新的第四代堆核燃料，使其在经济上更有竞争力。
　　2 美国正在开展的铅冷快堆项目
　　2.1 ABR项目
　　2000年，美国启动ABR项目，由爱达荷国家工程和环境实验室和麻省理工学院联合研究，主要开展用于嬗变锕系元素的铅铋快堆的基础科学研究。在ABR项目中，所设计的反应堆热功率为700MWt，电功率为300MWe，候选燃料为氮化物燃料和金属燃料，二回路采用超临界CO2布雷顿循环。研究人员针对ABR反应堆开展了乏燃料嬗变性能、反应堆热工水力特性、材料腐烛机理、铅铋活化特性以及反应堆经济可行性和工程可行性等方面的研究，相关研究成果汇集成3份年度研究报告，并公开发布。 　　2.2 SSTAR項目
　　2006 年，美国启动小型可运输铅冷快堆SSTAR，由阿贡国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室联合研究，主要目标是研发一种便于运输的小型核能系统，该种系统命名为SSTAR，其系统原理图如图3所示。
　　SSTAR反应堆热功率45MWt，电功率20MWe，采用全自然循环冷却，使用超铀氮化物为燃料，30年长寿命换料周期，二回路采用超临界CO2布雷顿循环和小型模块化设计等先进技术。SSTAR系统参数如表1所示。
　　该堆铅冷池式设计、超铀氮化物燃料、快谱堆芯和小型模块化设计使得该堆可以实现增殖一致、裂变自我维持、可靠性、可运输性和高水平的非能动安全特性。通过使用超临界二氧化碳布雷顿功率转化装置使堆芯热能转换为电力的效率达到了44%。该堆的技术主要有三大特点：（1）一回路铅冷却剂采用自然循环;（2）盒式堆芯设计，并且有30年的寿期;（3）自动负荷跟踪能力，并且不需要控制棒动作;（4）超临界二氧化碳的布雷顿能量转化系统。如果这些技术创新全部得以实现，那么铅冷堆将会提供一个符合全球核能伙伴计划和第四代核能系统要求的独一无二的极具吸引力的核能系统。
　　2.3 SUPERSTAR项目
　　2011年，在SSTAR的基础上，阿贡国家实验室设计了基于现实可行技术的小型自然循环铅冷快堆SUPERSTAR。SUPERSTAR反应堆热功率300MWt，电功率120MWe。—回路采用全自然循环冷却技术，堆芯采用弥散型金属燃料，堆芯换料周期15年，二路采用超临界CO2布雷顿循环发电系统。与SSTAR相比，SUPERSTAR主要是通过降低反应堆的设计参数来提高工程可行性，如堆芯出口温度从564℃降至480℃，堆芯换料周期从30年降至15年，燃料采用技术上更容易实现的弥散型金属燃料。为了弥补降低设计参数带来的经济性损失，SUPERSTAR 提高了堆芯功率，堆芯热功率从45MWt 提高至300MWt。为了确保堆芯具有足够的自然循环冷却能力，将反应堆自然循环高度从6.8m提高至15.5m。由于铅的密度大，提高反应堆高度会影响反应堆的抗震性能，所采用的15.5m的超高设计方案是否符合抗震要求，有待进行详细的抗震分析，目前还没看到阿贡国家实验室发布与此相关的研究结果。
　　2.4 西屋公司铅冷示范快堆（DLFR）项目
　　美国西屋铅冷示范快堆（DLFR）是一种铅冷池式快堆，目前仍处于初步概念设计阶段并计划在2030年前启动运行，其目的是展示铅冷示范快堆技术的可行性和基本性能，保证商业部署的成功实现。经济效益和安全性是推动铅冷示范快堆设计的关键因素。西屋公司希望建立一系列商用核反应堆，成为美国和国际能源市场无碳发电的领先方案。
　　图2展示了西屋铅冷示范快堆一次系统的初步概念设计布局。铅冷示范快堆是一种池式反应堆概念，其冷却剂泵被整合至蒸汽发生器中。所有一次组件均装在主容器中，促进集成装置的安全效益，并强调紧凑性，从而增强经济效益。一次系统主要参数如表2所示。
　　西屋公司铅冷示范快堆的特点是采用紧凑型池式一次系统，所有一次组件装在主容器中并浸入铅液里。铅冷示范快堆的额定功率为500兆瓦热力（210兆瓦电力），但在反应堆初始示范任务结束后，其功率还可提升（提高至700兆瓦热力左右）。堆芯出口平均温度为510℃，通过一个过热蒸汽功率转换系统，使反应堆的净效率达到42%左右。
　　西屋公司铅冷示范快堆设计的重点在于技术成熟性，确保在2030年前获得许可，并启动反应堆运行。铅冷示范快堆与钠冷快堆拥有诸多相同的热力学、机械和燃料特点，因此铅冷示范快堆充分利用了来自钠冷快堆的丰富经验，具有更安全、更简单且修建和运行成本更低的显著优势。用钢作包壳的二氧化铀燃料被选作铅冷示范快堆的初始堆芯燃料，而之后的燃料换料中还可选用性能更高的一氮化铀，以便对其进行认证和许可。基于十多年的铅回路设计和运行经验，采用当前可用的材料在无须实施复杂的氧气控制策略的前提下实现了不同温度和铅流速下的含铅运行环境的耐腐蚀性。在创新燃料组件设计的使用中，燃料组件延伸至液铅池自由液面之上，避免了换料机器在液铅中操作的必要性。
　　整体而言，西屋已提出的铅冷快堆技术的技术就绪水平（TRL）为4，而通过铅冷示范快堆的运行，其技术就绪水平将提高至7。技术就绪水平较低的区域均未表现出显著的重大风险，并且已经确定了能够在铅冷示范快堆中展示的可行的工程解决方案。
　　3 结论
　　美国在铅冷快堆的研究工作起步较早，但由于没能很好地解决铅铋腐蚀等问题，美国于20世纪60年代停止了铅冷快堆的研究计划。2000年，美国能源部重新启动铅冷快堆研究计划，截至目前，美国铅冷快堆项目均选择了自然循环冷却的技术路线。凭借美国强大的实力，目前，美国在小型自然循环铅冷快堆的研发方面已经处于国际领先地位。本文详细介绍了美国从事铅冷快堆研究的机构情况，并对美国铅冷快堆项目的研究进展进行了详细介绍和总结，希望对国内相关领域的研究起到一定的指导作用。
　　参考文献
　　[1]USDOE， A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems， U.S. DOE & generation IV International Forum， GIF-002-00.
　　[2]Alemberti， A.， Status of Lead-cooled Fast Reactor GIF LFR Activities. 9th GIF-IAEA InterfaceMeeting. March 2015.
　　[3]Cinotti， L.， LFR：materials.IAEA Education and Training Seminar/Workshop on Fast ReactorScience and Technology.CNEA Bariloche， Argentina， October 15， 2012.
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