客观日本

对创新型核反应堆CANDLE的研究

2011年10月13日 科技交流

1. 能源问题与原子能

 全球气候变暖已成为全世界面临的主要问题,如何抑制温室气体特别是二氧化碳的排放成了迫在眉睫的一大课题。现在,可再生能源的开发正进行得如火如荼,但大多数的可再生能源不仅成本高昂、随着时间的推移而波动、不易推广,而且会引起相应的环境问题,作为基础能源利用起来十分困难。

原子能已经在少数的几个国家中扮演着基础能源的角色,但其中大部分是轻水堆(用水冷却的核反应堆。分PWR和BWR两种类型。),由于资源的枯竭,今后这种核反应堆只能持续40至80年的时间。另外,无论是否有大量的核反应堆在运转,核能固有的一些问题,包括安全性、废弃物及核扩散的问题,都成了困扰人们的重要课题。

 2. 21世纪的COE计划:支撑世界可持续发展的创新型核能

 继文部科学省(相当于中国的“国家教育委员会”)挑选优秀的大学研究机构共同组成具备国际竞争力的研究据点后,“21世纪的COE计划”于2003年开始启动,但在核能方面,只有东京大学提出的“支撑世界可持续发展的创新型核能(简称COE-INES)”入围COE1,2)。如下面图1所示,依靠研究、教育、社会和国际四大支柱的支持,旨在同时解决如前所述的持久性、安全、废弃物及核扩散这4个课题。

图1.COE-INES

图1.COE-INES

COE-INES于2008年3月成功落幕,但人们为了延续这一充满意义的活动,在东京工业大学成立了“创新型核能研究中心(简称CRINES)”,继续致力于创新型核能的研究。

对创新型核反应堆CANDLE的研究在此次活动中被提了出来,现在正处于积极推进当中,其目的是同时解决以上的4个课题。如前所述,COE-INES的课题只有4个,但CRINES把经济性也列入其中,以同时解决5个课题作为目标。

 3. CANDLE燃烧的含义

 

 如图2所示,普通的核反应堆先是往核反应堆活性区(核反应堆内存放燃料的部分:图中的长方形区域。)中添加超过临界(维持核裂变反应的状态)量的核裂变物质(会发生核裂变反应的物质,比较常用的有U-235和Pu-239等),然后插入控制棒(可以很好地吸收中子的材料)将核裂变物质调整至临界状态。伴随着核反应堆中燃料的燃烧(指发生核裂变反应产生能量的同时消耗燃料),核裂变物质减少,核裂变生成物(在发生核裂变反应时,生成两个大小大致相同的核裂变生成物。记作FP)增加,这时将控制棒从核反应堆活性区中慢慢地拔出来,核反应堆便可以在临界状态下运行。所以,原子核素(原子核的一种)和中子通量单位时间内通过单位面积的中子数,等于中子密度与其平均速度的乘积。与中子密度成正比,发生反应。和输出(能量释放)的空间分布会受燃烧时间的影响。

图2.普通核反应堆燃烧过程中控制棒的操作方法

图2.普通核反应堆燃烧过程中控制棒的操作方法

(A) 燃烧初期     (B)燃烧中期

和以上的普通核反应堆相比,CANDLE反应堆不需要使用控制棒。如图3所示,伴随着燃烧的进行,燃烧区域(核裂变活跃的区域)中的原子核素和中子通量和输出的空间分布的形状没有改变,但会沿垂直轴向按与输出成比例的速度自然地移动3,4)。在这里,重要的是燃料被固定在核反应堆活性区,不需要安装任何特殊的控制装置。

图3.  CANDLE的燃烧

图3.  CANDLE的燃烧

4. CANDLE燃烧的原理

作为CANDLE燃烧的核反应堆可以使用高温气体反应堆(产生高温气体,可以用于制氢和制铁等领域)5,6),但是,在这里,我们希望就效果非常好的快中子反应堆进行讲解。可以明确知道的是,目前使用作为氧化物燃料主流的快中子反应堆难以达到CANDLE燃烧的要求,必须使用金属燃料或氮化物燃料7)。另外,使用铅类冷却剂(液体金属)或气体冷却剂作为冷却材料会起到比较好的效果,使用钠也是可以的。所以,更准确地说,这里介绍的具体实例是最近备受关注的铅-铋冷却氮化物燃料快中子反应堆,这种快中子反应堆的安全性较高。

CANDLE反应堆中心轴上的原子核密度如图4所示。左侧是新燃料添加区域,右侧是燃烧完成区域,夹在两者之间的是燃烧区域8 )。天然铀和贫化铀(从天然铀中提炼浓缩铀时,残留的部分大多是由U-238组成的)都可以用作投入的新燃料,图中表示的是使用贫化铀的情况。在燃烧区域中,燃烧的主要核裂变物质是Pu-239。在投入的新燃料添加区域和燃烧区域的交界处,U-238吸收了泄漏出来的中子生成Pu-239,引起交界向左侧移动。FP在燃烧区域和燃烧完成区域的交界处累积,此交界亦向左侧移动。经过这一过程,可以达到使CANDLE燃烧的目的。

图4.各种原子核素在核反应堆中心轴上的数量密度

图4.各种原子核素在核反应堆中心轴上的数量密度

这里表示的是处于平衡状态的CANDLE反应堆。那么,如何布置最初的核反应堆活性区为好呢?平衡状态下的燃烧区域中含有大量的非天然的放射性物质,在模拟这种核反应堆活性区时,可以使用浓缩铀。通过使铀浓缩度顺利地向核反应堆活性区的轴向方向变化,按从最初到平衡时的输出分布使铀开始燃烧9)。使用钚也可以达到同样的目的,但从原料获取难易度的角度上考虑的话,使用浓缩铀更为容易。

随着燃烧的进行,当燃烧区域到达核反应堆活性区的底端时,如图5所示,可以拆除燃烧完成的区域,并在燃烧进行的方向上重新添加新燃料。这样便可以重新开始CANDLE燃烧。

图5.CANDLE燃烧的燃料更换

图5.CANDLE燃烧的燃料更换

5. CANDLE反应堆的性能

即使CANDLE反应堆是使用天然铀和贫化铀作为装载燃料的,其燃烧率仍可达到40%。而对于轻水堆来说,再加工使用后的核燃料以便对钚进行循环利用时,其利用率也只能达到原天然铀的1%左右。经过这样的比较可以得知,CANDLE反应堆在不需要再加工的情况下便可以使利用效率提高到40倍。但是,此种燃烧存在原材料的问题。另外,在一般的输出密度状态下运行时,燃烧区域的移动速度极其缓慢,仅为4cm/年。因此,设计出性能优越且运转寿命长的反应堆是有可能的。

从以上这些特性看来,针对第2节中所阐述的持久性、安全、废弃物、核扩散及经济性这5个课题,下面将就CANDLE反应堆如何发挥其性能进行讲解。

(1)持久性:可以有效地利用燃料

使用天然铀和贫化铀,利用率可达40%,是轻水堆的50倍以上10)

现在的日本核电站中运行的是轻水堆。此系统使用对天然铀(U-235的比例为0.7%)进行浓缩加工后的浓缩铀(U-235的比例为3~5%)作为燃料,会产生大量的贫化铀渣滓。使用轻水堆运行40年后产生的贫化铀,无须经过浓缩和再加工,直接用于CANDLE反应堆时具备在大约2000年的时间内持续制造等量的能量的潜力11)。(见图6)

图6.  继轻水堆之后的CANDLE反应堆利用示意图

图6.  继轻水堆之后的CANDLE反应堆利用示意图

(2)安全:简单、安全

不会在运行过程中因为拔错控制棒等引发事故。

输出分布及核反应堆特性都不会在燃烧过程中发生变化,所以其运行不仅简单且可靠性高。

分析对可能引起的事故所采取的应对措施可以得知,和传统的快中子反应堆相比,CANDLE反应堆在安全性能方面实现了飞跃性的提高12)

一般情况下,快中子反应堆中的核燃料溶化后会在反应堆的某处堆积起来,容易引发核临界事故(通常核裂变数量急剧增加时及其危险)。而CANDLE反应堆,不仅核反应堆活性区没有控制棒,且冷却剂材料所占的比例小,不易引发核临界事故,即使引发事故,事故的规模也极其有限。

而且,CANDLE反应堆使用的是起替代作用的新燃料——天然铀或者贫化铀,不用担心发生核临界事故和核掠夺,运输和存储安全、简便。

(3)废弃物:废弃物体积小

CANDLE反应堆的燃烧程度是轻水堆的10倍,因此单位能量产生的废弃物体积只有轻水堆的1/10。另外,废弃物中含有的次锕系元素(指除铀及钚以外的锕系元素,目前被当作放射性废弃物处理)因长时间置于核反应堆中发生核裂变,数量减少。

(4)核扩散:核扩散防止性极高

涉及核扩散防止性时,需要从整体上考虑燃料的循环利用13)。这样一来,浓缩设施和再加工设施以及钚燃料的运输就成了最需要解决的问题。另外,不仅设施本身,浓缩和再加工的技术对于核扩散来说也十分重要。而CANDLE反应堆不需要使用浓缩铀和钚,其核扩散防止性得到了飞跃性的提高。

(5)经济性

一口气燃烧40%的话,通常会导致所使用的材料会快速损毁。虽然通过变更材料、调低温度可以达到这一燃烧水平,但由于调低温度会降低核反应堆的性能,在这里,采用的是在快中子冲击覆盖材料的数量达到临界点之前更换覆盖材料的方法。这种更换作业虽然是在高放射线环境下进行的,但和再加工相比起来,因为不用对液体进行处理,操作简单且可以减少次生废弃物的产生。

因为CANDLE反应堆(构造、输出分布等方面)简单,所以能将运行管理费控制在很低。

而且,在燃料循环利用(指从铀矿开采到废弃物最终处理的燃料的流动过程,之所以使用这个名字,是因为考虑到将来理想的做法是把核裂变物质反复地添加到核反应堆中进行利用。)方面,也极其简单,可以降低燃料的循环利用成本。

一直以来,CANDLE反应堆的核反应堆活性区较高,有损于经济性 ,但目前的设计和之前的相比,高度已经降低了很多14,15)

在CANDLE反应堆中,为了有效地利用中子,需要减少冷却剂材料的比例,因此输出密度存在变小的趋势,但因为CANDLE反应堆半径方向的输出密度较普通的快中子反应堆平坦许多,最后能得出怎样的结果将取决于以后的研究。

6. 前景展望

CANDLE反应堆本是笔者本人原创性的观点,却无独有偶,这一原理被几位研究人员稍先于笔者发表过。其中包括有着氢弹之父之称的特勒博士在内,这几位研究人员都把这一原理运用到了新型核反应堆的方案中。笔者针对可以满足以上5个课题的创新型核反应堆方案正在进行研究,并且得到了世界上很多这一领域的专家们的关注。今后,预计进一步将研究集中于工程学上,希望能朝着成功开发CANDLE核反应堆的目标迈进。

参考文献

1. H. Sekimoto, Prog. Nucl. Energy, 47, 9-15(2005).

2. H. Sekimoto, Prog. Nucl. Energy, 50, 71-74(2008).

3. H. Sekimoto and K. Ryu, Trans. Amer. Nucl. Society, 82, 207-208 (2000).

4. H. Sekimoto, et al., Nucl. Sci. Engin., 139, 306-317 (2001).

5. Y. Ohoka and H. Sekimoto, Nucl. Engin. Design, 229, 15-23 (2004).

6. Y. Ohoka, et al., Prog. Nucl. Energy, 47, 292-299(2005).

7. H. Sekimoto and K. Ryu, Trans. Amer. Nucl. Society, 83, 45 (2000).

8. H. Sekimoto and Y. Udagawa, J. Nucl. Sci. Technol., 43, 189-197 (2006)

9. H Sekimoto and S. Miyashita, Energy Conv. Manag., 47, 2772-2780 (2006).

10. H. Sekimoto, Prog. Nucl. Energy, 47, 91-98(2005).

11. H. Sekimoto and A. Nagata, Prog. Nucl. Energy, 50, 109-113(2008).

12. M. Yan and H. Sekimoto, Ann. Nucl. Energy, 35, 813-828(2008).

13. N. Takaki and H. Sekimoto, Prog. Nucl. Energy, 50, 114-118(2008).

14. M. Yan and H. Sekimoto, Ann. Nucl. Energy, 35, 18–36(2008).

15. A. Nagata, et al., Ann. Nucl. Energy (to be published).

 

简历:

关本 博(Sekimoto Hiroshi):生于1945年。东京工业大学核反应堆工程学研究所教授。1974年加利福尼亚大学伯克利分校原子核工程学专业Ph.D。曾任通用原子能公司(美国)高级工程师、东工大助教、副教授、、1990年担任东京工业大学核反应堆工程学研究所教授、从2006年开始兼任东京工业大学创新型核能研究中心所长。专业是创新型反应堆及创新型核能体系的概念构造。在学术杂志和国际会议上发表了约350篇论文。

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