最近，一條新聞在網(wǎng)上熱傳，引來了無數(shù)注意。

2019年10月9日上午11:05分，隨著控制棒緩緩升起，我國首座鉛鉍合金零功率反應(yīng)堆——啟明星Ⅲ號，在中核集團(tuán)中國原子能科學(xué)研究院實現(xiàn)首次臨界，并正式啟動我國鉛鉍堆芯核特性物理實驗，這標(biāo)志著我國在鉛鉍快堆領(lǐng)域的研發(fā)跨出實質(zhì)性一步，進(jìn)入工程化階段。同時也意味著我國在鉛鉍快堆研發(fā)領(lǐng)域已躋身國際前列。

那么，這種神秘的“鉛鉍快堆”到底是什么一種反應(yīng)堆呢？現(xiàn)在由本人為大家講解一下。

首先，我們要知道，鉛鉍快堆實際上是金屬冷卻反應(yīng)堆的一種。早在上世紀(jì)50年代，美蘇都起步了金屬冷卻反應(yīng)堆的研發(fā)工作。金屬和水不同在于，金屬對中子的吸收率普遍不如水，故金屬反應(yīng)堆大部分都屬于快堆。而且，由于液態(tài)金屬（如鈉鉀合金，鉛鉍合金）沸點（沸點可達(dá)700攝氏度以上）遠(yuǎn)高于壓水堆的水（沸點不超過400度），因此相同體積的液態(tài)金屬可傳出的熱能遠(yuǎn)高于水，因此液態(tài)金屬堆的體積可以非常小。同時，由于金屬堆對中子的吸收較少，可以作為快中子增殖反應(yīng)堆使用，可以將壓水堆無法使用的U238和核廢料轉(zhuǎn)化成PU239繼續(xù)裂變，因此對天然鈾（U238百分比接近99%，U235僅0.7%）的利用率可達(dá)60%，比僅使用U235的壓水堆資源利用率提升了100倍，同時產(chǎn)生的長壽命核輻射廢料（主要是錒系元素）的數(shù)量也遠(yuǎn)小于壓水堆，有效地保護(hù)了環(huán)境，節(jié)約了資源。

但是，快中子堆自從誕生起就有很多麻煩。其中最大的問題就是液態(tài)金屬根據(jù)“相似相溶”原理，對金屬管道有很強(qiáng)的腐蝕性，其次就是冷卻劑的問題，如鈉冷快堆的金屬鈉遇上空氣和水容易爆炸自燃，金屬鉛毒性大且鉍容易吸收中子嬗變形成輻射強(qiáng)的元素等?，F(xiàn)在讓我分別介紹兩種反應(yīng)堆。

鈉冷反應(yīng)堆研發(fā)較早，美蘇在60年代分別建設(shè)了“海狼”號核潛艇和645型核潛艇來測試鈉冷反應(yīng)堆，但兩艘潛艇的命運都很悲慘，645型核潛艇1965年服役，但是僅過了3年就因為不斷泄漏起火的反應(yīng)堆而被迫封存于港口，1979年1月1日，645型K-27退役，潛艇的反應(yīng)堆艙在北德文斯克的第893“星”船廠被灌滿了由瀝青和糠醛組成的特殊凝固混合物，隨后被拖到喀拉海的一個特殊訓(xùn)練海區(qū)并于1982年9月6日鑿沉。沉沒點的具體坐標(biāo)是72°31'N 55°30'E，即新地島東北海岸的斯捷布韋灣（Stepovoy Bay），那里的水深只有33米，遠(yuǎn)低于國際原子能組織水深不低于3000-4000米的標(biāo)準(zhǔn)，美國海狼號的結(jié)局也是差不多的，主要都是因為鈉冷堆的不斷泄漏起火而退役。

用鈉冷反應(yīng)堆發(fā)電也有一些嘗試。從1960到現(xiàn)在，各國分別興建了若干鈉冷反應(yīng)堆，如法國的鳳凰反應(yīng)堆，蘇聯(lián)的BN-350/600/800反應(yīng)堆，日本的“文殊”反應(yīng)堆以及中國的中國驗證快堆和建設(shè)中的中國示范快堆。

如前文所述，鈉冷反應(yīng)堆從誕生之日就飽受冷卻劑泄漏和自燃的痛苦。60年來，美，法，日的全部鈉冷反應(yīng)堆都因為不斷的冷卻劑泄漏事故而最終報廢，只有蘇聯(lián)的BN系列反應(yīng)堆成功運營至今，比較有代表性的就是1980年運轉(zhuǎn)至今的BN-600反應(yīng)堆，和他的后繼者BN-800反應(yīng)堆。盡管BN-600也幾乎每年都有小型事故，但是一直沒有嚴(yán)重?fù)p害，最終一直平穩(wěn)運行至今，國內(nèi)正在籌建的中國示范快堆，據(jù)說就是引進(jìn)了BN-600的技術(shù)，預(yù)計2025年前服役。

鉛冷快堆雖然是第四代反應(yīng)堆，但他并不是一種全新的東西。早在上世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)的705型核潛艇（北約代號A級，是世界上僅有的幾種鈦合金潛艇之一）就已經(jīng)成功采用了這種反應(yīng)堆。

和鈉冷快堆不同在于，鉛鉍合金不會遇水和遇上空氣而爆炸，因此安全些略微高于鈉冷快堆。但是鉛鉍合金也有一些自己的問題。

第一，鉛鉍合金密度極高，超過每立方米12噸，是同體積水的12倍以上，因此就算是體積很小，它的總重量也非常大，對管道的壓力也很大；

第二，鉛鉍合金的熔點隨合金成分不同，在100攝氏度到300攝氏度徘徊，因此常溫下是固體，必須需要加熱才能使用，而且一旦泄露，鉛鉍合金就會立即像熔巖一樣凝固成固體，蘇聯(lián)705型核潛艇首艦K-64就是在服役前發(fā)生了泄漏事故，被迫未經(jīng)服役直接報廢。

第三，鉍會吸收中子形成劇毒的釙210，反應(yīng)方程式：209Bi（n，γ）210Bi（β?）210Po，而釙210不僅是一種強(qiáng)烈的輻射物質(zhì)，又是一種劇毒物質(zhì)，在2006年著名的利特維年科事件（此人為退役俄羅斯特工，加入英國國籍并定居英國，后來被人投毒致死，迄今歐洲仍用這件事指責(zé)俄羅斯）中，此人就是被投放釙210致死。因此考慮到鉛鉍快堆的冷卻劑數(shù)量巨大，一旦泄露或者反應(yīng)堆服役壽命屆滿拆除時，就會產(chǎn)生嚴(yán)重的釙210污染問題，同時鉛也是一種有毒金屬，尤其是泄漏時產(chǎn)生的鉛蒸汽。

因此，受制于這些原因，鉛冷快堆在蘇聯(lián)705型核潛艇（該潛艇并未像《獵殺紅十月號》中那樣活躍于深海，而是受制于故障不斷的反應(yīng)堆而被迫留在蘇聯(lián)近海）退役之后，很長一段時間無人提及。一直到2016年，中國第一臺ADS鉛冷反應(yīng)堆“啟明星II號”才把人的視野帶回這款被冷落已久的鉛鉍反應(yīng)堆。

啟明星II號是一款鉛鉍冷卻的ADS反應(yīng)堆零功率裝置。所謂的ADS反應(yīng)堆，是指加速器驅(qū)動的反應(yīng)堆，是為了科研和教學(xué)使用的一種小型反應(yīng)堆。反應(yīng)堆內(nèi)不使用高濃度濃縮鈾，其中子來源也不是插入的中子源（如啟動反應(yīng)堆和核彈頭常用的鈹反射棒），而是外部加速器輸入的高能粒子。而“零功率設(shè)備”，意味著該設(shè)備并不是作為發(fā)電而設(shè)計的，功率幾乎為零，只夠驅(qū)動反應(yīng)堆內(nèi)部回路的冷卻液運轉(zhuǎn)，因此是科研驗證設(shè)備。因此，啟明星II號的特點是：當(dāng)且僅當(dāng)外界的高能中子進(jìn)入堆芯時，反應(yīng)堆才可以發(fā)生核裂變反應(yīng)（但不是自我維持的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)），這樣一來，由于入射的中子流能量是可以計算和控制的，因此測量他進(jìn)入反應(yīng)堆后產(chǎn)生的裂變能，就可以方便的計算出中子量和裂變能的模型，有利于后期技術(shù)開發(fā)和測試不同的燃料棒。因此，得益于這款技術(shù)，國內(nèi)今年投入使用的“啟明星III號”才會建成。

啟明星III號就比啟明星II號更加接近實際的鉛鉍反應(yīng)堆。從名稱上，啟明星III號不再是“ADS”反應(yīng)堆，這意味著它不再依賴外界射入的中子才能啟動，而是可以通過正常的核反應(yīng)堆一樣通過內(nèi)置的中子源啟動。不過，作為零功率設(shè)備，它建設(shè)目的仍然是驗證反應(yīng)堆的設(shè)計，而不是直接用來發(fā)電的。根據(jù)計劃，2025年國內(nèi)將建成第一個小型鉛鉍示范反應(yīng)堆，比600兆瓦的鈉冷中國示范快堆要晚兩年建成。這意味著，中國的快堆仍然采用了穩(wěn)妥的“兩條腿走路”，既不放棄技術(shù)成熟度較高的鈉冷反應(yīng)堆，又同時研發(fā)鉛鉍冷卻反應(yīng)堆，很有可能采用“大功率商用鈉冷發(fā)電反應(yīng)堆”+“小型模塊化鉛鉍反應(yīng)堆”的模式，避免二者之間出現(xiàn)惡性競爭。