快堆,全称为快中子增殖反应堆,是不采用中子慢化剂,由快中子引起链式裂变反应释放出热能转化为电能的核反应堆,一般是消耗铀-238生成易裂变钚-239,产出多于能耗,从而实现核裂变材料增殖。能源是一个国家发展的基础支撑,核能具有发电效率高的优点,受到了全球多个国家的关注,快堆可以大幅提高铀资源利用率,并且安全性高,是第四代先进核能堆型之一,未来发展潜力大。
传统核电站一般采用热中子反应堆,为提升核燃料链式裂变反应效率,需要使用中子慢化剂,将裂变产生的快中子减速为热中子,利用热中子进行链式反应。热中子反应堆以铀-235为能量来源,一般采用轻水为中子慢化剂,这些材料有规则地排列在一起组成堆芯,核裂变和链式反应在堆芯中进行。
在全球范围内,铀-235资源储量稀少,在已探明的天然铀资源中,其储量占比仅有0.7%,而热中子反应堆每天均需消耗铀-235。全球天然铀资源基本都是以铀-238的形式存在,铀-238是铀-235的同位素,但铀-238不能在热中子作用下发生裂变,因此不能够作为热中子反应堆燃料。在此情况下,稀缺的铀-235无法支撑全球核电产业发展,快堆因此被开发问世。
铀-238可以在中子作用下发生衰变反应,生产钚-239,钚-239可发生裂变产生能量。快堆利用这一原理,以钚-239为燃料,在钚-239外围放置铀-238,钚-239裂变产生快中子被铀-238吸收,铀-238与快中子反应再生成钚-239,这样在铀-238未消耗干净的情况下,钚-239裂变反应会一直存在。在快堆中,钚-239的再生速度高于消耗速度,且每消耗一个铀-238可产生大于一个的钚-239,具有增殖效应。
根据新思界产业研究中心发布的
《2022-2027年中国快堆行业市场深度调研及发展前景预测报告》显示,快堆可以大幅提升铀资源利用率,解决现有铀-235燃料稀缺问题,并能够降低核废料产生量,因此受到关注。但快堆开发技术壁垒高,需要考虑多个问题,例如:由于功率密度大,快堆使用的冷却剂要求更高,一般采用液态金属钠,但钠的性质活泼,相关保护系统必须完善;快堆产生的热量高,堆芯进出口温差大,对设备、仪表控制系统等性能要求更高。从技术方面来看,快堆开发难度高于热中子反应堆。
新思界
行业分析人士表示,由于优点突出,全球多个国家均在大力开发快堆,例如美国、英国、法国、德国、瑞典、意大利、俄罗斯、日本、印度、中国等。2010年7月,中核集团自主研发的我国首座快中子反应堆“中国实验快堆(CEFR)”达到首次临界,其热功率为65MW,2011年7月成功实现并网发电;2020年12月,中核集团示范快堆工程2号机组正式开工建设。我国正在加快步伐调整能源结构,当前已掌握快堆技术,未来快堆行业发展速度有望加快。