導言當下，我們討論核電站，常常局限于各種“水堆”，包括輕水堆，重水堆，沸水堆等等。源于現時商轉中的反應堆多是第二代反應堆與大概十來

導言

當下，我們討論核電站，常常局限于各種“水堆”，包括輕水堆，重水堆，沸水堆等等。源于現時商轉中的反應堆多是第二代反應堆與大概十來個第三代系統，而其冷卻劑甚至慢化劑基本都是水，這里不詳細分類。然而在第三代反應堆即將進入大規模商運的今天，實際上第四代反應堆技術（英語：Generation IV reactors，縮寫：Gen IV）離我們已經不遙遠。核電發展路徑預期圖（圖1）告訴我們在2030年左右，將進入核電第四代王朝。

圖1. 核電發展路徑圖

按照第四代國際論壇（The Generation IV International Forum ）的分類，第四代核電技術主要分為熱中子、快中子反應堆兩大類，其中每大類又包含三個堆型。圖二概略了六種主流堆型的基本設計概念[1]。本文主要談一下其中的鉛冷快堆系統（LFR）。

圖2. GIF框架下六種四代堆系統基本設計概念

1. 歐洲鉛冷快堆的前世今生

ELSY，即歐洲鉛冷系統（European Lead-cooled System）是歐洲第6個研究框架規劃（FP6）內屬“放射性廢物管理”領域的“特定目標研究或創新項目”。

ELSY項目醞釀時間較長，內部準備充分，又在與第四代國際論壇（GIF）的GEN-IV LFR開發目標方面作了縝密的協調，是個有組織、有計劃、有目標的國際核能開發研究項目。

ELSY項目于2010年2月結束。鉛冷快堆項目由LEADER項目（Lead-cooled European Advanced Demonstration Reactor）在FP7框架下繼續開展。主要設計堆型為ELFR（European Lead-cooled Fast Reactor）[2]

2. 鉛冷快堆系統的主要優勢

當我們的能源需求得到一定程度的滿足后，我們的能源獲取途徑也日趨多樣，so,大家對獲取能源給自然生態帶來的負效應越來越關注。談及核能，乏燃料的后處理和燃料利用的最大化是其不可回避的兩個重要問題。

快堆優勢之乏燃料后處理：BURN OR BURY

目前對于高放乏燃料的后處理主要是掩埋，即BURY，然而掩埋并沒有真正解決放射性廢料的問題，我們知道高放核廢料的半衰期很長，單純的掩埋僅僅是把問題留給子孫后代而已。鉛冷快堆系統可以實現BURN，也就是我們常說的分離和嬗變（P&T）高放廢物。從而大大減少核廢料衰變時間。圖三告訴我們，采用U-Pu燃料循環嬗變技術的四代堆系統相比于U-Pu燃料循環三代輕水堆和直接掩埋處理，可以大大減少放射性廢料達到鈾礦級放射性所需時間。圖四為歐盟所執行的乏燃料處理路線

圖3. 嬗變在處理放射性廢料上的時間優勢

圖4. 歐盟乏燃料處理路線

嬗變：加速器技術與快堆技術路線之爭

既然談及乏燃料處理，那么就有必要談一談”嬗變“。“嬗變”并不是新鮮的核科學名詞，它幾乎和“衰變”、“裂變”同時出現，即一種核素受到某種基本粒子的轟擊，生成另一種新的穩定的核素。比如輕水堆U238受到中子轟擊，生成一系列衰變產物。[3]

但是，現代核科學家追求的“嬗變”，是使長壽期、強放射性的超鈾元素和裂變產物，即Np,Am,Cm等等接受高能粒子轟擊生成穩定無放射性核素，同時利用嬗變熱能發電。

目前嬗變工具主要是加速器和快堆，歐盟社會有段時間比較抵制快堆的發展，于是加速器技術（ADS）大行其道。然而隨著ADS的發展，從兆瓦級的實驗裝置Megapie到X-ADS，再到最終設想的EFIT，實際上除了Keff處于次臨界狀態之外(0.75-0.97)，其余設計已經接近快堆理念。

表1. 鉛冷快堆與ADS主要設計概念對比

ADS在研究初期，眾多科學家認為其制造工藝并不麻煩，規劃在2020年左右開展工業化布局。然而事情并不是這么簡單，Megapie制造花費了六年（2000-2006）[4]，以此為推算X-ADS在2020年實現成熟運行算是比較激進的觀點，然后實現EFIT的制造并正常運行預計應該不會早于2030年，可以設想在2040年左右實現工業化布局并大規模P&T已是樂觀，同時這一切還要建立在歐盟有足夠的耐性給予足夠的經費支持。然而橫亙在ADS技術工業化布局之前有諸多工程技術難題，比如加速器材料工藝，比如次臨界運行下堆運行的功率經濟性。目前來看快堆技術比ADS系統更具生命力。

鉛作為主冷卻劑的優勢

• LEADER或者ELSY設計使用9000噸液態純鉛作為主冷卻劑，其中正常情況下43%參與熱力循環 液態鉛惰性，不與水和空氣發生反應，因此取消了中間冷卻劑系統，就發電效率而言可補償降低堆芯出口溫度的影響(比超鳳凰鈉冷堆低62K)。也實現了SG的反應堆壓力容器內部安裝結構設計；
• 鉛的沸點達到1745攝氏度，有效降低了堆芯出現空泡風險;
  
• 液態鉛慢化能力弱，中子吸收截面小。從而可以實現較低密度的燃料組件布局，燃料組件布局空間的增大降低了冷卻劑水頭損失，這一特性在弱泵送能力或者自然循環階段的冷卻劑載熱循環過程中顯得極為關鍵。
  
• 液態鉛與常見燃料包殼材料兼容不反應。
  

• 堆芯余熱排出能力提升，采用鉛冷系統的堆芯余熱排出能力如圖4所示 圖4 堆芯余熱排出能力

3. 鉛冷系統ELFR設計特點摘要

3.1. 堆本體與電廠總體

堆本體采用池式設計，使用緊湊的、容器內的蒸汽發生器（SG）和所有堆內構件都可拆出的簡單主回路，從而降低施工難度，提高施工速度。池式反應堆結構設計，可以提高堆本體抗震能力；在惰性氣體的保護下進行堆芯燃料操作，提高操作安全性。圖5、6為ELFR堆本體設計示意圖，圖7為電廠總體廠房布局：

圖5. ELFR堆本體設計工程圖

圖6. ELFR堆本體設計效果圖
圖7. ELFR電廠總體廠房

3.2. 關于SG

蒸汽發生器SG放進堆內，同時SG拋棄傳統U型管設計采用新型螺旋式設計，以提高換熱能力和達到堆內自然循環目的；圖8為螺旋式SG結構圖，表2為SG換熱能力參數表，圖9位換熱能力趨勢圖。

圖8. SG結構圖

表2. SG換熱能力參數表

圖9. SG換熱能力趨勢圖

4. 結論

• 鉛作為一種高沸點冷卻劑所帶來的協調作用，不可低估：中子經濟、低壓系統，安全、簡化、經濟、防擴散能力等。在ADS研究中發現鉛具有吸附和抑制裂變產物、特別是某些易揮發裂變產物的能力，可將核電廠對外環境的影響降到最小，從基本上消除核電廠場外應急的需要。[8]
  
• 鉛的對外部環境、工業基礎條件和技術要求有更廣泛的適應性。目前我們核電選址在考慮一個地址的時候，第一步就是調出此地所有的記錄，比如縣志之類的老古董都要拿出來看，是不是在某年某月的某一天發生過重大自然災害之類的，為何？因為我們現在的核電廠很脆弱！做核電的常常說核電廠址是稀缺資源，怕地震，怕海嘯，怕冰凍，自從出了911，現在還怕大型商用飛機，為何？ Not Stuff enough。
  
• 不過開發的嶄新機組（不是新堆型），即使重大設備制造、出廠試驗、機組調試過關，仍然不能難斷言不會出現其他異常情況；即使安全性能達標，經濟性能仍然有待證實。例如，AP1000提出所謂“主泵運行60年不檢修”，然而你首先要有一個這樣的主泵！

文中圖片和設計參數主要來自Ansaldo Nucleare網站

主要參考文獻

[1] L. Cinotti, C. Fazio, J. Knebel, S. Monti, H. Ait Abderrahim, C. Smith, K. Suh LFR "Lead-Cooled Fast Reactor" UCRL-CONF-221396 FISA 2006 Kirchberg, Luxembourg March 13, 2006 through March 16, 2006 May 16, 2006

[2] Ved Bhatnagar Overview of Overview of EU Activities in P & T Research in the EURATOM 6th th and 7th Framework Programmes 9IEM P&T, Nimes, FR 25-28 Sep 2006 EC, Brussels

[3] L. Cinotti, C. F. Smith, J. J. Sienicki, H. A?t Abderrahim, G. Benamati, G. Locatelli S. Monti, H. Wider, D. Struwe, A. Orden The Potential of LFR and ELSY ProjectBook of Abstracts, ICAPP 2007 Nice, France, May 13-18, 2007 Paper 7585

[4] IAEA-TECDOC-1289 Comparative assessment of thermophysical and thermohydraulic characteristics of lead, lead-bismuth and sodium coolants for fast reactors IAEA June 2002