大家好，我是冰封之龍。在上一篇中，我介紹了核反應(yīng)堆的基本原理和熱中子堆，今天讓我給大家說(shuō)說(shuō)另一大類反應(yīng)堆——快中子堆。

在上一篇已經(jīng)提到，快堆是利用快中子激發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的反應(yīng)堆，由于快中子的能量較高，能夠使得鈾238這樣比較穩(wěn)定的核材料都能發(fā)生核裂變（這也是所謂的三相彈外殼之所以用鈾238制造的原因，因?yàn)槿鄰椩诰圩兒诵膯?dòng)后會(huì)釋放巨大數(shù)量的快中子，足以把外殼的U238全部引發(fā)裂變，使得威力大幅提升，目前美國(guó)W87核彈有六成以上能量由外層U238提供），因此對(duì)于熱中子堆僅能利用天然鈾資源中0.7%的天然鈾235來(lái)說(shuō)，快中子堆給予人類利用其它99%的U238的可能性，使得它長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)效益非常好。而且，在慢中子堆運(yùn)行后會(huì)生成大量乏燃料，其中不乏碘131這類高污染廢料和未使用的U238等半衰期達(dá)到45億年的長(zhǎng)壽命核素，這樣的核廢料成為核污染的很大隱患，而快堆則可以把這些“廢物”再次利用起來(lái)，或者用快中子使得其進(jìn)一步裂變放能，或者將高放射性的核素打碎成放射性較低或壽命較短的核素，降低未來(lái)核廢料填埋壓力。

其次，由于目前的快堆也是利用工質(zhì)（如液態(tài)金屬、氦氣等）導(dǎo)出熱能，因此鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的中子仍然會(huì)發(fā)生一定程度的減速，這樣就導(dǎo)致快堆中的U238會(huì)有相當(dāng)一部分并不直接參與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，而是吸收被工質(zhì)減速的中子經(jīng)過(guò)一系列嬗變生成钚239，而钚239又是一種堪比U235的可裂變物質(zhì)，既可以維持反應(yīng)堆正常工作，又可以取出純化作為核彈或其他反應(yīng)堆的材料，故這類同時(shí)生產(chǎn)钚239的快堆又被稱為快中子增殖反應(yīng)堆。

由于有這兩個(gè)經(jīng)濟(jì)意義，目前快中子堆被列入第四代核電技術(shù)，備受各國(guó)重視。

不過(guò)，雖然快堆被普遍認(rèn)為是“第四代核反應(yīng)堆”，但在目前第三代堆都不普及的情況下，第四代堆實(shí)際上已經(jīng)有了五十年以上的發(fā)展歷史了。這種“未來(lái)的老兵”，也體現(xiàn)出快堆迄今為止相當(dāng)大的開(kāi)發(fā)難度。

讓我們分類談?wù)効於??？於涯壳坝袔讉€(gè)比較熱的流派：金屬冷卻快堆、熔鹽反應(yīng)堆和高溫氣冷球床反應(yīng)堆（其他雜七雜八的實(shí)驗(yàn)堆就不提了）。

首先人類最早搞的是金屬冷卻快堆。有很多低熔點(diǎn)金屬對(duì)中子的吸收能力很低，同時(shí)沸點(diǎn)又很高，因此適合作為快堆的工質(zhì)。目前有兩大類：鈉冷快堆和鉛冷快堆。

在1960年，蘇聯(lián)，美國(guó)首先利用鈉鉀合金作為工質(zhì)研發(fā)了鈉冷快堆，這種合金常溫就是液態(tài)（不同混合比的熔點(diǎn)： -11℃(K78%,Na22%); 19℃(K56%, Na44%);，而沸點(diǎn)高達(dá)700度以上（沸點(diǎn): 784℃(K78%,Na22%); 825℃(K56%, Na44%);），比起壓水堆通常出口溫度350高出一倍以上，因此在加熱二回路的水方面擁有較高熱效率，還可以作為超臨界蒸汽進(jìn)一步增溫的熱源。在1964年，前蘇聯(lián)在里海沿岸的阿克陶（目前歸哈薩克斯坦）開(kāi)始建設(shè)BN-350（蘇聯(lián)后三位數(shù)代表功率，如350代表他熱功率350兆瓦（實(shí)際發(fā)電功率135兆瓦），下同）鈉冷增殖快堆，1973年發(fā)電，同時(shí)生產(chǎn)钚239和給城市供水，一直安全運(yùn)行了20年，在1994年關(guān)閉。在1980年，蘇聯(lián)又在斯維爾德洛夫斯克州投產(chǎn)了它的發(fā)展型BN-600鈉冷快中子增殖反應(yīng)堆，2014年再次興建了更大功率的BN-800快中子反應(yīng)堆，這種反應(yīng)堆燃燒效率很高，既可以生產(chǎn)钚材料，又可以作為銷毀廢棄的核彈中的钚材使用，因此在軍事和商用方面都很有價(jià)值。

但是鈉冷快堆有兩個(gè)問(wèn)題。第一是由于核材料對(duì)快中子的裂變截面比起熱中子低很多，因此快堆必須要采用20%左右的濃縮鈾才可以穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)（相比一般輕水堆只需要3%，而石墨堆和重水堆甚至可以用0.7的天然鈾），第二就是鈉鉀合金對(duì)于管道有嚴(yán)重的腐蝕作用（根據(jù)相似相溶原理，液態(tài)合金對(duì)于金屬材質(zhì)有著很強(qiáng)溶解性，比如日常司空見(jiàn)慣的水銀在中國(guó)古代就常被用于溶解黃金，然后涂抹在物體表面烤干，金就會(huì)均勻吸附在物體表面，這就是我們常說(shuō)的“鎏金”，中和殿上面的金色圓球就是這個(gè)工藝鎏金的），而且一旦泄露，學(xué)過(guò)高中化學(xué)課的大家都知道堿金屬對(duì)于氧氣和水都是高度敏感的，極易起火，因此蘇聯(lián)的BN-600，和日后日本人修建的“文殊”鈉冷快堆都發(fā)生過(guò)鈉鉀合金泄露起火的事故，只不過(guò)BN-600發(fā)生的都是小規(guī)模事故，而文殊在建成后不足一年就發(fā)生了大規(guī)模鈉鉀合金泄露起火的嚴(yán)重事故，被迫關(guān)閉，2010年重啟后又連續(xù)發(fā)生事故，加之311地震后日本人彌漫著反核情緒，文殊已經(jīng)在2018年批準(zhǔn)退役。

第二種液態(tài)金屬反應(yīng)堆就是鉛冷快堆。大家可能問(wèn)，鉛板不是可以防輻射嗎？那怎么還能作為反應(yīng)堆傳送中子的工作介質(zhì)呢？其實(shí)，鉛這種高密度，高原子量金屬（當(dāng)然比鉛更重的金屬，如鈾自身也一樣）的防輻射一般指的是防電磁輻射，如阿爾法射線、貝塔射線和伽馬射線，而對(duì)不帶電的中子基本沒(méi)有隔絕作用（吸收中子反而是輕元素構(gòu)成的分子有效，如水），因此適合作為冷卻劑。

鉛冷堆用的冷卻劑為鉛鉍合金。這種合金熔點(diǎn)也只有123.5度，沸點(diǎn)則高達(dá)1600度以上，因此鉛冷堆的熱功率理論上比起鈉冷堆還要高。而且鉛冷堆由于運(yùn)用鉛鉍合金，因此不會(huì)出現(xiàn)鈉冷堆鈉鉀合金泄漏起火的問(wèn)題，且高密度的鉛鉍合金自身還可以阻絕伽馬射線的輻射，非常有利于壓縮體積。蘇聯(lián)的阿爾法級(jí)核潛艇就是運(yùn)用了這種設(shè)計(jì)。2014年9月，針對(duì)阿爾法級(jí)核潛艇的鉛冷快堆的商用堆BREST-300也研發(fā)完畢，更大的BREST-1200也在開(kāi)發(fā)中，國(guó)內(nèi)提出的核電寶（袖珍可移動(dòng)反應(yīng)堆）也是基于這種設(shè)計(jì)的。

但是鉛冷堆不可避免也有很多劣勢(shì)。第一，鉛冷堆因?yàn)榇罅渴褂勉U鉍合金，而鉛的密度大家也很清楚，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比水大得多，因此裝滿了冷卻劑后的鉛冷堆可達(dá)上千噸沉（尤其是商用堆），對(duì)于支撐材料要求很大；第二，鉛冷堆因?yàn)殂U鉍合金需要大量的鉍資源，而鉍價(jià)格很高，建設(shè)費(fèi)用大；第三，由于鉛鉍合金熔點(diǎn)最低也在120度以上，因此一旦出現(xiàn)事故泄漏，那么鉛鉍合金漏出后就會(huì)迅速凝結(jié)成金屬，難以清理，并且鉛鉍合金和其他液態(tài)金屬一樣會(huì)嚴(yán)重溶解金屬材料，使得它管線制造難度更大，蘇聯(lián)阿爾法級(jí)核潛艇第一艘K-64號(hào)就是因?yàn)樵嚭綍r(shí)鉛鉍合金泄漏，把整個(gè)艙室填滿成了固體，導(dǎo)致它立即被退役拆毀。最后，鉍元素在中子照射下會(huì)生成釙-210這種高毒性核素，使得它二回路需要比較好的屏蔽，并且退役的冷卻劑也需要安全處置。所以，鉛冷快堆目前距離應(yīng)用還有一段距離。

第三種快堆就是我們常說(shuō)的高溫氣冷快堆。這種快堆最早是德國(guó)人在1960年修建的AVR反應(yīng)堆，后來(lái)蘇聯(lián)也用它給自己的海洋偵察衛(wèi)星供電。AVR反應(yīng)堆特色在于他用高速流動(dòng)的氦氣作為冷卻劑，以包裹核材料的石墨球（有點(diǎn)像球墨鑄鐵）同時(shí)代替了核燃料棒和中子慢化劑（盡管它多數(shù)時(shí)候還是被認(rèn)為是快堆，畢竟不像蘇聯(lián)RMBK反應(yīng)堆把中子減速到熱中子），整個(gè)裝置用鋼材封裝。這樣一來(lái)，耐高溫的石墨球在堆積起來(lái)后，就達(dá)到了臨界體積，開(kāi)始發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)并加熱氦氣，高溫的氦氣不和其他物體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，故可以安全通過(guò)導(dǎo)管輸送到汽輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。而高溫的氣體還會(huì)“吹動(dòng)”燃料球，使得它可以在一定范圍內(nèi)自動(dòng)增大體積，降低核反應(yīng)效率，避免了堆芯熔毀的可能性。但是，由于德國(guó)人設(shè)計(jì)不良，在1986年切爾諾貝利事故后不到一星期，他的 THTR-300氣冷堆的燃料球供應(yīng)系統(tǒng)發(fā)生故障，燃料球卡住并破裂，隨即被高溫高速的氦氣流吹到汽輪機(jī)中，然后通過(guò)安全泄壓系統(tǒng)大量排放到空氣里，導(dǎo)致了嚴(yán)重的核泄漏。更嚴(yán)重的是，德國(guó)政府一開(kāi)始打算把這件事偽裝成切爾諾貝利的附加影響，指責(zé)附近檢測(cè)出的核輻射來(lái)自于切爾諾貝利，結(jié)果很快被揭穿，當(dāng)?shù)氐妮椛洚a(chǎn)物只有30%來(lái)自于切爾諾貝利，其他都是 THTR-300產(chǎn)生的。這導(dǎo)致德國(guó)民眾異常憤怒，要求德國(guó)政府立即關(guān)閉國(guó)內(nèi)的高溫氣冷堆，在1988年兩臺(tái)氣冷堆相繼關(guān)停。由于后期處理缺乏資金，AVR迄今未開(kāi)始有效的拆除工作，而且由于它反應(yīng)堆的安全底意外破損，大量燃燒過(guò)的燃料球滾落出來(lái)，導(dǎo)致廠房被嚴(yán)重污染，主要污染物是鍶-90。由于污染面積很大，德國(guó)政府不得不決定推遲到本世紀(jì)結(jié)束，等鍶-90經(jīng)3輪半衰期（28.5年）降低到安全輻射水平后再予以拆除。

由于這些失敗案例，德國(guó)人在90年代把相關(guān)技術(shù)全部賣給中國(guó)，而中國(guó)在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了HTR-10氣冷堆，2003年在清華大學(xué)核動(dòng)力研究所開(kāi)始運(yùn)行。在此之后，中國(guó)認(rèn)真分析了德國(guó)人的失敗案例，尤其是它導(dǎo)致災(zāi)難的燃料球供應(yīng)系統(tǒng)，中國(guó)人得出結(jié)論：應(yīng)當(dāng)避免給球床反應(yīng)堆更換燃料。這樣，我們新一代氣冷堆采用了“一次封裝”技術(shù)，將燃料球一次加滿夠用20年以上，然后封在鋼制容器里運(yùn)輸?shù)侥康牡?，使?0年退役時(shí)再整體拆除，移動(dòng)回專門的工廠再解體卸載核燃料，這就避免了運(yùn)行中補(bǔ)給燃料球?qū)е碌氖鹿矢怕?。同時(shí)，由于整個(gè)反應(yīng)堆一次封裝，使得外界無(wú)法竊取到里面的核物質(zhì)，有效避免核擴(kuò)散；最后，一次封閉，整體吊裝也使得安裝現(xiàn)場(chǎng)避免了精密的核反應(yīng)堆的來(lái)回拆裝，有利于降低事故。

如今，HTR-10的發(fā)展擴(kuò)大型HTR-PM已經(jīng)在石島灣核電站緊張地建設(shè)中，中國(guó)有望成為第一個(gè)采用四代反應(yīng)堆進(jìn)入商業(yè)發(fā)電的國(guó)度。讓我們拭目以待吧。