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        鈉冷快堆與D類干粉滅火防護

        快堆是快中子增殖堆的簡稱。中國“實驗快堆”是國家“863”計劃最重大項目,列入了國家中長期科技發展規劃前沿技術研發目標。于1992年3月獲國務院批準立項,2000年5月開工建設,已于2011年7月21日10點成功實現并網發電。中國“示范快堆”建在福建霞浦,是國內核能戰略“三步走”(熱中子反應堆、快中子增殖堆、受控核聚變堆)關鍵環節,也是新時代中國核工業發展的標志性工程。該工程已于2017年12月29日開工建設,計劃于2023年建成投產。

        一、熱堆、快堆、鈉冷快堆

        熱堆是熱中子反應堆的簡稱。熱中子反應堆是用慢化劑把快中子速度降低,使之成為熱中子(或稱慢中子),再利用熱中子來進行鏈式反應的一種裝置。

        由于熱中子引起核燃料裂變的幾率大,因而熱中子堆只需較少的核燃料就可以實現鏈式裂變反應。特別是當用重水和石墨慢化時,可以使用天然鈾作核燃料。在缺乏濃縮鈾能力的核工業發展初期,這是一個優點。熱堆較易控制,需要的核燃料少,還可以用天然鈾作為核燃料,所以較易建造,發展得最早。

        在熱堆中,熱中子除泄漏和被俘獲外,一部分使235U裂變,另一部分被238U吸收,使之轉化為239Pu。239Pu繼續吸收熱中子也可以裂變,而且還有極少一部分238U,能被尚未來得及慢化的快中子擊中而裂變。所以,熱堆既可以利用235U做核燃料,也可以利用238U實現核燃料的轉化。

        如果我們將反應堆中“燒”過的燃料元件中剩余的235U及239Pu,在后處理中提取出來,制成新的燃料元件放入反應堆,如此反復多次,則可以使更多的235U和238U通過裂變或轉化得到利用。但由于后處理投資大、費用高等原因,目前還主要是采用“一次通過”的方式。燃料元件在反應堆內“通過”后,就存放在反應堆旁的貯存水池內,以備將來后處理之用。由于“燒”過的燃料元件沒有后處理,目前的熱中子動力堆對鈾的利用率低于1%。由于熱堆只能利用鈾中很少的一部分,所以目前已探明的鈾儲量中,只有那些含鈾量超過萬分之幾、開采方便的鈾礦才有經濟價值。目前陸地上已探明的經濟可采鈾儲量大約是五百多萬噸。盡管熱中子反應堆目前是一種安全、清潔、經濟的工業能源,但到本世紀中葉,可以經濟開采的鈾資源枯竭時,熱堆的經濟性就會受到嚴重的挑戰。

        當前,熱堆的主要問題是,只能利用包括裂變燃料235U和轉換材料238U在內的鈾資源中極少的一部分。必須采用行之有效的措施,從根本上消除目前熱堆對鈾資源的浪費,使包括238U在內的鈾資源,能在核反應堆中得到充分利用。

        快堆,以鈾-钚燃料循環為基礎,能使核燃料增殖,可以擺脫即將面臨鈾資源日益枯竭的困境。

        在快堆中由于沒有慢化劑,再加上堆內結構材料、冷卻劑及各種裂變產物對快中子的吸收幾率很小,因此中子由于被俘獲造成的浪費少。此外,每個239Pu原子核裂變放出的中子多,238U原子核裂變的幾率也大,所以平均每個原子核裂變所放出的中子,除了維持自身鏈式裂變反應外,還可以剩余1.2到1.3個中子,用來使238U轉變為239Pu。因而在快堆內,只要添加238U,每燒掉一個239Pu原子核,除了放出大量裂變能外,還可以產生1.2到1.3個239Pu原子核。這就是說,在快堆內只要添加238U,核燃料就越燒越多,這種情況稱為核燃料的增殖。

        這是快堆與目前熱堆的主要區別,也是快堆的主要優點。因此快堆又稱增殖堆或快中子增殖反應堆。

        由于快堆僅在啟動時需要投入核燃料,所以它對核燃料價格的上漲,不如熱堆那么敏感。理論上快堆可以將238U,235U及239Pu全部加以利用。但由于反復后處理時的燃料損失及在反應堆內變成其它核素,快堆只能利用70%以上的鈾資源。即使如此,也是目前的熱堆對核燃料的利用率的80倍。由于快堆對核燃料的漲價不如熱堆那么敏感,因而含鈾量低的鈾礦也有開采的經濟價值。而且目前濃縮鈾工廠庫存的貧鈾,熱堆中卸出的乏燃料,都可以成為快堆的“糧食”來源。由于快堆中能實現239Pu的增殖,如果我們通過后處理,將快堆增殖的核燃料不斷提取出來,則快堆電站每過一段時間,它所得到的239Pu,還可以裝備一座規模相同的快堆電站。這段時間,稱為倍增時間。經過一段倍增時間,一座快堆會變成兩座快堆,再經過一段倍增時間,這兩座快堆就變成四座。按照目前的情況,快堆的倍增時間是三十多年。也就是說,只要有足夠的238U,每過三十多年,快堆電站就可以翻一番。

        快堆的功率密度大,又不允許冷卻劑對中子產生強烈的慢化作用,這就要求熱傳輸能力強、慢化作用小的冷卻劑。目前采用的冷卻劑主要有兩種:液態金屬鈉和氦氣。根據冷卻劑的種類,可以將快堆分為鈉冷快堆和氣冷快堆。氣冷快堆由于缺乏工業基礎,而且高速氣流引起的振動以及氦氣泄漏后堆芯失冷時的問題較大,所以目前僅處于探索階段。世界上現有的、正在建造的和計劃建造的,都是鈉冷快堆。

        二、液態金屬鈉冷卻劑的特點

        鈉的中子吸收截面小,比熱容大。它的沸點高達886.6℃,所以在常壓下可以有很高的工作溫度,而且在工作溫度下對很多鋼種腐蝕性小,無毒。因此,鈉是快堆的一種很好的冷卻劑。但鈉的熔點為97.8℃,在室溫下是凝固的,所以要用外加熱的方法將鈉熔化。鈉的缺點是化學性質活潑,易與氧和水發生化學反應。當蒸汽發生器傳熱管破漏時,管內的水與管外的鈉相接觸,會引起強烈的鈉水反應。所以在使用鈉時,要采取嚴格的防范措施,這比熱堆中用水作為冷卻劑時問題要復雜得多。

        壓水堆的出口水溫約330℃,燃料元件包殼的最高溫度約350℃;而快堆為了提高熱效率并適應功率密度的提高,冷卻劑的出口溫度為500℃至600℃,燃料元件包殼的最高溫度達650℃,比熱堆包殼的溫度高得多。很高的溫度、很深的燃耗以及數量很大的快中子的強烈轟擊,使快堆內的燃料芯塊及包殼碰到的問題比熱堆復雜得多。由于以上原因,雖然快堆早在20世紀40年代起步,只比熱堆的出現晚四年,而且第一座實現核能發電的是快堆,但是現在還未發展到商用階段。然而,通過一系列試驗堆、示范堆和商用驗證堆的建造,上述困難已基本克服,快堆技術現在已日臻完善,為大規模商用準備了條件。

        三、浙江宇安消防D類干粉滅火劑

        浙江宇安消防是一家D類干粉滅火產品研發制造的國家高新技術企業,與公安部天津消防研究所、公安部上海消防研究所建立了戰略合作關系。2009年初,宇安研發成功滅金屬鎂、鈦等D類Ⅰ型干粉滅火劑,當年10月研發成功滅三乙基鋁、正丁基鋰等D類Ⅲ型干粉滅火劑。2011年7月,經過三年攻關,宇安成功研發出滅金屬鈉、鋰等D類Ⅱ型干粉滅火劑。

        2016年6月7日,中國原子能科學研究院、中國實驗快堆工程指揮部、鈉工藝室項目負責人杜海鷗研究員來宇安考察,了解浙江宇安D類滅火劑在撲滅金屬鈉火方面的情況,宇安董事長、總工程師楊國建介紹金屬鈉滅火劑已研發成功和相關金屬鈉專用滅火劑的滅火原理等相關成果。

        2016年6月22日,浙江宇安消防舉行撲滅金屬鈉火的演示與數據采集。這次撲滅金屬鈉火演示與數據采集,是應國家十三五重點科研課題之所需,也是應中國實驗快堆工程指揮部鈉工藝室之要求。中國實驗快堆工程指揮部鈉工藝室原未親見過鈉火被撲滅的具體情況,他們原來試驗是使用進口D類干粉的,滅火效果很不好,無法提供快堆使用。

        這次演示、實驗從當天15點30分開始各項準備,16點30分進行撲滅鈉火小試,17點正式舉行撲滅金屬鈉火。1分鐘鈉火撲滅,再對試樣進行充分攪拌。17點17分撲滅金屬鈉火圓滿成功!滅火劑使用量1:10,即滅即攪拌無復燃。這次浙江宇安把撲滅金屬鈉火進行全程錄像,并為中國實驗快堆工程指揮部鈉工藝室提供視頻資料供日后使用。

        此后,根據《D類干粉滅火劑》(GA 979-2012)標準和實驗,國家固定滅火系統和耐火構件質量監督檢驗中心于2017年11月7日簽發了宇安D-Na干粉滅火劑合格《型式檢驗報告》,以及D-Mg與D--AI(C2H5)3干粉滅火劑合格《型式檢驗報告》。

        2018年底,質量、技術、服務要求更高的D類干粉滅火劑“浙江制造”團體標準(T/ZZB 0787-2018)發布實施,2019年初,浙江宇安在業內率先提出了D類干粉滅火劑“浙江制造”的認證申請。經過資料審閱、專家評審、現場審核合格。2019年9月29日,認證機構簽發了宇安D類Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型干粉滅火劑“浙江制造”認證證書。隨后又授予認證品牌標識的樣版。

          (顧一問 鄭又理)


          
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