快中子堆一般采用氧化铀和氧化钚混合燃料(或采用碳化铀-碳化钚混合物),将二氧化铀与二氧化钚混合燃料加工成圆柱状芯块,装入到直径约为6毫米的不锈钢包壳内,构成燃料元件细棒。燃料组件是由多达几十到几百根燃料元件细棒组合排列成六角形的燃料盒。

        快堆堆芯与一般的热中子堆堆芯不同,它分为燃料区和增殖再生区两部分。燃料区由几百个六角形燃料组件盒组成。每个燃料盒的中部是混合物核燃料芯块制成的燃料棒,两端是由非裂变物质天然(或贫化)二氧化铀束棒组成的增殖再生区。核燃料区的四周是由二氧化铀棒束组成的增殖再生区。反应堆的链式反应由插入核燃料区的控制棒进行控制。控制棒插入到堆芯燃料组件位置上的六角形套管中,通过顶部的传动机构带动。

        由于堆内要求的中子能量较高,所以快堆中无需特别添加慢化中子的材料,即快堆中无慢化剂。目前快堆中的冷却剂主要有两种:液态金属钠或氦气。根据冷却剂的种类,可将快堆分为钠冷快堆和气冷快堆。气冷快堆由于缺乏工业基础,而且高速气流引起的振动以及氦气泄漏后堆芯失冷时的问题较大,所以目前仅处于探索阶段。

        钠冷快堆用液态金属钠作为冷却剂,通过流经堆芯的液态钠将核反应释放的热量带出堆外。钠的中子吸收截面小;导热性好;沸点高达886.6℃,所以在常压下钠的工作温度高,快堆使用钠做冷却剂时只需两、三个大气压,冷却剂的温度即可达500-600℃;比热大,因而钠冷堆的热容量大;在工作温度下对很多钢种腐蚀性小;无毒。所以钠是快堆的一种很好的冷却剂。世界上现有的、正在建造的和计划建造的都是钠冷快堆。但钠的熔点为97.8℃,在室温下是凝固的,所以要用外加热的方法将钠熔化。钠的缺点是化学性质活泼,易与氧和水起化学反应。所以在使用钠时,要采取严格的防范措施,这比热堆中用水作为冷却剂的问题要复杂得多。
        按结构来分,钠冷快堆有两种类型,即回路式和池式。
        回路式结构就是用管路把各个独立的设备连接成回路系统。优点是设备维修比较方便,缺点是系统复杂易发生事故。与一般压水堆回路系统相类似,钠冷快堆中通过封闭的钠冷却剂回路(一回路)最终将堆芯发热传输到汽-水回路,推动汽轮发电机组发电。所不同的是在两个回路之间增加了一个以液钠为工作介质的中间回路(二回路)和钠-钠中间热交换器,以确保因蒸汽发生器泄漏发生钠-水反应时的堆芯安全。

        池式即一体化方案,池式快堆将堆芯、一回路的钠循环泵、中间热交换器,浸泡在一个很大的液态钠池内。通过钠泵使池内的液钠在堆芯与中间热交换器之间流动。中间回路里循环流动的液钠,不断地将从中间热交换器得到的热量带到蒸汽发生器,使汽-水回路里的水变成高温蒸汽。所以池式结构仅仅是整个一回路放在一个大的钠池内而已。在钠池内,冷、热液态钠被内层壳分开,钠池中冷的液态钠由钠循环泵唧送到堆芯底部,然后由下而上流经燃料组件,使它加热到550℃左右。从堆芯上部流出的高温钠流经钠-钠中间热交换器,将热量传递给中间回路的钠工质,温度降至400℃左右,再流经内层壳与钠池主壳之间,由一回路钠循环泵送回堆芯,构成一回路钠循环系统。

        两种结构形式相比较,在池式结构中,即使循环泵出现故障,或者管道破裂和堵塞造成钠的漏失和断流,堆芯仍然泡在一个很大的钠池内。池内大量的钠所具有的足够的热容量及自然对流能力,可以防止失冷事故。因而池式结构比回路式结构的安全性好。现有的钠冷快堆多采用这种池式结构。但是池式结构复杂,不便检修,用钠多。

        1975年在法国境内合资建造的"超凤凰"快堆电站,就是一座钠冷、池式、四环路快中子堆商用验证电站。其电站热功率300万千瓦,净电功率120万千瓦。采用外径8.5毫米的不锈钢管做燃料元件包壳,271根燃料棒组成一个组件。堆芯共364个燃料组件,通过堆芯的钠流量为5.9万吨/小时。采用池式结构,钠池内径21米,高19.5米,堆芯高1米。有并列的四个环路,包括四台钠泵和八台中间热交换器都放在钠池内。增殖比可达1.2;功率密度为285千瓦/升;热能利用效率达到41%。   

快中子增殖反应堆结构

快中子增殖反应堆结构 快中子堆一般采用氧化铀和氧化钚混合燃料(或采用碳化铀-碳化钚混合物),将二氧化铀与二氧化钚混合燃料加工成圆柱状芯块,装入到直径约为6毫米的不锈钢包壳内,构成燃料元件细棒

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