1942年12月2日,费米在美国芝加哥大学建造了人类历史上第一座反应堆,成功实现了受控链式裂变反应,这一事件标志着人类进入了一个崭新的核纪元。反应堆最初的用途是生产核武器所用的钚材料。随着人类对核能认识的不断深入和工业技术的进步,核反应堆在军事和民用领域得到了更加广泛的应用。目前,世界上投入使用的各类型反应堆达数千座,在能源、科学研究、工农业生产、核医学等领域发挥着重要作用。

液态金属冷却快堆

  在改革开放前沿深圳,原子能院帮助深圳大学设计建造的微堆已安全运行28年,这也是目前我国尚在运行的唯一商用微堆。与原子能院的原型微堆相比,二者的差别是堆芯尺寸、燃料元件尺寸。

(本期编辑:王芳)

3原理

  2014年年3月4日,中国原子能科学研究院在微型反应堆临界装置上开展低浓铀净堆首次临界实验,并安全达到临界,这标志着微堆燃料富集度从原先的90%降至12.5%是成功的,微堆低浓化工作由此进入全面实施阶段。

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1939年1月,用中子引起铀原子核裂变的消息传到费米的耳朵里,当时他已逃亡到美国哥伦比亚

  “微堆低浓化后应用更为广泛,比如可应用到与百姓关系更加密切的治疗癌症的医疗装置中。”中国工程院院士周永茂如此预测微堆前景。

ISBN 978-7-03-057731-3

▪行波堆

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北京:科学出版社,2018.6

主要构成物质

  7月27日,来自国际原子能机构、中国国家原子能机构、美国能源部、加纳原子能委员会的官员以及尼日利亚、叙利亚、巴基斯坦和泰国等国专家共同见证实验临界成功。

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奥克罗反应堆还向科学家们透露了这样的讯息:他们曾经认定为基本物理常数的α(阿尔法,控制着诸如光速这样的宇宙参数),可能曾发生过改变。过去30年来,发生在20亿年前的奥克罗现象一直被用来驳斥α曾经发生过改变的观点。但是2005年,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的史蒂文·K·拉蒙诺(Steven
K. Lamoreaux)和贾斯廷·R·托格森(Justin R.
Torgerson)却根据奥克罗现象推断,这一“常数”确实发生了明显改变(而且十分奇怪的是,他们得出的常数改变方向与其他人得出的结论相反)。对于拉蒙诺和托格森的计算来说,奥克罗运转过程的一些细节十分关键,从这个角度上来讲,我和我的同事们所做的工作,也许有助于阐明这个复杂的问题。

  据介绍,该堆的主要用途包括中子活化分析、核仪器探头的考验、教学及培训、少量同位素生产等。改造后的微堆固有安全性更高,一次装料可运行30年。

原标题:铀氢锆脉冲反应堆物理与安全分析

所属学科

  同时,这也是继我国在今年3月完成首座微堆高浓缩铀低浓化改造、实现满功率运行后,在践行国际承诺、推广减少高浓铀合作模式层面取得的又一项重大进展,也是中国为世界反核恐怖主义、加强国际核安保作出的实实在在的贡献。

铀氢锆脉冲反应堆是以铀氢锆为燃料的水池式研究反应堆,具有瞬发负温度反应性系数大、放射性裂变产物包容能力强、堆芯非能动冷却等特点,固有安全性很高,能以稳态、脉冲和方波等多种方式运行,在科学研究和国民经济中有着广泛的应用。

核反应堆透视图

  因为具有小型化、易操作、功率低、固有安全性好等优点,在大中城市人口稠密的大学和研究机构内,不乏微堆身影。

本书概括了铀氢锆脉冲反应堆物理和安全分析方面的基础理论和最新进展,介绍了研究堆和铀氢锆脉冲反应堆发展的历史和应用概况、脉冲堆结构、栅元计算、堆芯物理分析、热工水力分析、动态特性分析、孔道屏蔽、事故与安全分析等内容。本书特别强调物理模型的深入分析和数学计算的准确描述,同时穿插了丰富的图表和大量的计算公式。

9发展前景

  因为不会对样品产生破坏,原子能院曾协助有关单位,对膳食中的元素含量进行过多次调查研究及卫生学评价。

陈伟 等 著

1972年5月,法国一座核燃料处理厂的一名工人

图片 43月26日,我国首座微堆圆满完成低浓化改造,实现首次满功率运行

1990年,中国核动力研究设计院自主研发并建成了铀氢锆原型脉冲反应堆。1999年,我国第一座实用化多功能的铀氢锆脉冲反应堆(西安脉冲反应堆)在西北核技术研究所成功实现临界,之后在核科学技术研究和应用中发挥了重要作用,成为我国研究堆发展历史上一个新的里程碑。

2)为了使反应堆内温度很高的冷却水保持液态,反应堆在高压力(水压约为15.5
MPa )下运行,所以叫压水堆;

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本文摘编自陈伟
《铀氢锆脉冲反应堆物理与安全分析》一书,有删改。

十几座天然反应堆自发工作,并维持着适度的功率输出,运转了大约几十万年之久,这确实令人惊叹。为什么这些矿脉没有发生爆炸,没有在核链式反应启动后立即自我摧毁?是什么机制使它们拥有了必不可少的自我调节能力?这些反应堆是稳定运转,还是间歇式发作?自奥克罗现象最初发现以来,这些问题迟迟得不到解答。实际上,最后一个问题困扰了人们长达30年之久,直到我和我在美国华盛顿大学圣路易斯分校的同事检测了一块来自这个神秘非洲铀矿的矿石之后,谜底才被逐渐揭开。

  微堆低浓化改造涉及堆芯物理设计、结构设计、燃料组件设计制造、装卸料、乏燃料管理、反应堆实验调试等诸多环节。改造过程中,工程技术人员攻克了一批关键技术,确保了微堆的核安全。

铀氢锆脉冲反应堆物理与安全分析

控制棒

  “微堆低浓化目的是在不改变堆芯几何尺寸的前提下,将高浓铀堆芯燃料替换为低浓铀堆芯燃料。”原子能院堆工部主任杨红义介绍,转化后还需利用原有筒体装料运行。

《铀氢锆脉冲反应堆物理与安全分析》主要介绍铀氢锆脉冲反应堆物理与安全分析。全书共9章,内容包括绪论、结构与系统组成、栅元热化和共振处理、堆芯物理参数计算方法、热工水力分析、脉冲动态特性分析、堆芯燃料管理、实验孔道屏蔽计算方法以及事故安全分析等。

【嵌牛提问】:核反应堆技术的特点?有什么应用?

  受国际大环境等多因素影响,国际原子能机构(IAEA)多次提出,希望微堆燃料实施低浓铀转化。

反应堆按用途一般分为动力堆、生产堆和研究堆。动力堆主要用于舰船、航天器、飞行器等的推进或用于工农业生产的发电、供热等,最常见的是核电站反应堆。生产堆主要用于生产放射性同位素或易裂变核材料。研究堆则主要用于和反应堆有关的实验研究或利用核反应堆产生的中子、伽马射线开展的科学研究。研究堆的用途非常广泛,涉及原子核物理、生命科学、材料科学、探测化学、生物学、食品制造技术、农业、刑事侦破、材料辐照改性、核天文学、核考古学、核医学和同位素生产等诸多方面的试验研究。由于研究堆的重要地位,其在各种类型的反应堆中占了大多数。值得指出的是,研究堆和生产堆并没有明显的界限,只是人为的分类方法,研究堆也可用于同位素和易裂变材料生产,生产堆配合必要的实验设备,同样可以开展多种科学研究。

1979年3月,美国三里岛原子能发电站由于操作错误和设备失灵,造成了原子能开发史上空前未有的严重事故。然而,由于反应堆的停堆系统、应急冷却系统和安全壳等安全措施发挥了作用,结果放射性外逸量微乎其微,人和环境没有受到什么影响,充分说明现代科技的发展已能保证原子能的安全利用。

  2013年,经国际原子能机构(IAEA)、美国能源部(DOE)、加纳和中国协商一致,由中国牵头承担对加纳微堆进行低浓化燃料改造。自2015年签署正式合同开始,中国原子能科学研究院就开始了加纳微堆的低浓化改造工作。

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冷却剂

  今年3月,经过5年攻关,该研究院成功对中国首座微堆——原型微堆实施了低浓化改造,并实现首次满功率运行。这是继核安保示范中心建成运行后,我国在核安保领域取得的又一重要成绩,也是中美核安保合作的重大成果,被写入《中美核安全合作联合声明》。

责任编辑:宋无汗 杨丹 崔慧娴

核反应堆[1],又称为原子能反应堆或反应堆,是能维持可控自持链式核裂变反应,以实现核能利用的装置。核反应堆通过合理布置核燃料,使得在无需补加中子源的条件下能在其中发生自持链式核裂变过程。严格来说,反应堆这一术语应覆盖裂变堆、聚变堆、裂变聚变混合堆,但一般情况下仅指裂变堆。

  “过去,我们微堆使用武器级的高浓铀作为燃料。燃料棒一旦流失,就可能造成核材料扩散的威胁。”李义国解释,由于所用燃料的特殊性,微堆在推广中一直受到限制。

由于铀氢锆脉冲反应堆采用特殊核燃料、紧凑堆芯结构、众多实验孔道和实验装置,其堆芯物理和安全分析与压水堆及其他研究堆相比有许多自己的特点,西北核技术研究所在西安脉冲反应堆建设、运行、应用的二十多年科研实践中积累了丰富的经验,在铀氢锆中子热化模型、栅元计算、堆芯物理、热工水力等方面取得了一系列创新性、系统性的科研成果。该书正是我国铀氢锆脉冲反应堆研究工作者长期研究成果的总结和拓展,涵盖了铀氢锆脉冲反应堆的主要结构、控制、物理、热工水力、动态特性、屏蔽设计与事故安全分析等内容,填补了国内相关领域研究的空白。

核反应堆是核电站的心脏[1],它的工作原理是这样的:

  光绪死因的确证,被认为是运用现代科学技术和侦察思维解决历史疑难问题的成功尝试,开辟了学术文化研究的新路径。

本书可供反应堆研究、设计、运行、管理等从业人员参考,也可作为高等院校相关专业研究生教材。

根据用途,核反应堆可以分为以下几种类型[4]

  

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4)由于用普通水作慢化剂和冷却剂,热中子吸收截面较大,因此不可能用天然铀作核燃料,必须使用浓缩铀(铀-235的含量为2—4%)作核燃料。沸水堆和压水堆同属于轻水堆,它和压水堆一样,也用普通水作慢化剂和冷却剂,不同的是在沸水堆内产生蒸汽(压力约为7
MPa),并直接进入气轮机发电,无需蒸汽发生器,也没有一回路与二回路之分,系统特别简单,工作压力比压水堆低。然而,沸水堆的蒸汽带有放射性,需采取屏蔽措施以防止放射性泄漏。重水堆是用重水作慢化剂和冷却剂,因为其热中子吸收截面远小于普通水的热中子吸收截面,所以可以用天然铀作为重水堆的核燃料。所谓热中子,是指铀-235原子核裂变时射出的快中子经慢化后速度降为2200
m/s、能量约为1/40
eV的中子。热中子引起铀-235核裂变的可能性,比被铀-238原子核俘获的可能性大190倍。这样,在以天然铀为燃料的重水堆中,核裂变链锁反应可持续进行下去。由于重水慢化中子不如普通水有效,因此重水堆的堆芯比轻水堆大得多,使得压力容器制造变得困难。重水堆仍需配备蒸汽发生器,一回路的重水将热量带到蒸汽发生器,传给二回路的普通水以产生蒸汽。重水堆的最大优点是不用浓缩铀而用天然铀作核燃料,但是阻碍其发展的重要原因之一是重水很难得到,因为在天然水中重水只占1/6500。

  2008年,“长相”精致的微堆曾经展示大“威力”,它与央视、清西陵及北京市法医检验鉴定中心等共同揭开了困扰史学界的百年谜案——清光绪帝之死因。

铀氢锆脉冲反应堆具有特殊的氢化锆中氢的热化模型、众多的水平和垂直实验孔道、复杂的堆芯功率和温度场分布等特点,因此在反应堆堆芯物理和热工水力研究、反应堆安全分析中具有与其他反应堆不同的特点。我们在我国第一座实用化多功能的铀氢锆脉冲反应堆——西安脉冲反应堆的安全运行和应用实践中,进行了大量的反应堆物理、热工水力和事故分析研究,积累了一定的理论与实践经验,取得了一些创新性的研究成果,不仅对从事研究堆设计的科研人员具有较好的参考价值,也为新加入该领域的研究人员了解铀氢锆脉冲反应堆的特性提供了必备的基础知识。为了促进铀氢锆脉冲反应堆理论研究的发展和交流,我们把最近二十多年的相关研究成果总结出版,供国内同行借鉴参考。

领    域

  协助加纳实现微堆低浓化改造是我国政府落实第四届核安全峰会上习近平总书记提出的“五大倡议”及《中美联合声明》重要行动之一。中核集团总工程师雷增光表示,中核集团高度重视加纳微堆低浓化项目,希望通过加强国际间紧密合作尽早完成项目。未来,中核集团将会为促进更广泛的和平利用核能贡献更大的力量。

责任编辑:

冷堆系统

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2002年9月19日至20日在东京召开的GIF(第四代核能系统国际论坛Generation
IV International
Forum,GIF)会议上,与会的10个国家在94个概念堆的基础上,一致同意开发以下六种第四代核电站概念堆系统。

  我国的微堆研究建造可追溯到上世纪70年代末、80年代初。经过多种物理设计方案的理论计算和零功率实验验证,1984年3月,原子能院自主开发设计建造的我国第一座微堆顺利建成并投入满功率运行。

核能

  此后,该院为国内外用户设计和建造了9座商用微堆,其中5座出口到了巴基斯坦、伊朗、加纳、叙利亚、尼日利亚,加纳微堆于1995年建成。这些微堆已累计安全运行超过100堆·年,为国家创造了巨大的经济效益。

核化学

  中国掌握微堆低浓化的全套技术

7应用领域

  原子能院的原型微堆的每一根燃料元件的直径仅有5毫米,换言之只有约5张纸的厚度,每两根元件间隙只有5.48毫米,这些燃料元件被放置在实验用的“鸟笼架”内。“鸟笼架”是直径240毫米、高270毫米的狭小空间,也就是该堆的堆芯。

慢化剂

图片 8图为原子能院研究人员在控制台前进行零功率实验操作。

目录

图片 9清光绪帝头发As的分析

编辑

  2011年底,中国国家原子能机构批准中国原子能科学研究院与美国能源部阿贡实验室合作,对原子能院微堆进行低浓化改造,卸出微堆高浓铀堆芯,装入低浓铀燃料堆芯。

最终,研究人员在奥克罗和邻近的奥克罗班多地区的铀矿中,确定了16个相互分离的区域——20亿年前,那里的真实环境,居然与黑田和夫描绘的大致情况惊人地相似。尽管这些区域早在几十年前就被全部辨认出来,但是远古核反应堆运转过程的种种细节,直到才被我和同事彻底揭开。

  微堆离我们的生活并不远。微堆是一种小型、低功率、固有安全性好、容易操作的反应堆装置,可以建设在大中城市人口稠密的大学、科研单位等,能够广泛应用于中子活化分析、放射性同位素制备、教学培训、反应堆物理实验及仪器考验。

编辑

  深圳微堆建成后,利用中子活化法填补了深圳微量元素质检方面的某些空白。

黑田和夫认为,自持裂变反应能够发生的第一个条件就是,铀矿矿脉的大小必须超过诱发裂变的中子在矿石中穿行的平均距离,也就是0.67米左右。这个条件可以保证,裂变的原子核释放的中子在逃离矿脉之前,就能被其他铀原子核吸收。

图片 10清光绪帝衣物

别    名

  据科学网报道,7月27日上午,加纳微堆(微型中子源反应堆)低浓铀堆芯在中国原子能科学研究院(简称原子能院)成功实现零功率实验首次临界。这是中国承担的加纳微堆低浓化改造项目中一个重要的里程碑节点,标志着该项目中方负责的所有技术准备工作均已完成,项目的关键步骤已经取得成功。

4类型

  开展微堆燃料低浓化工作,既符合我国核不扩散的国际政策,也能更有效地防止核扩散,并能在国内外推广微堆方面起到积极作用。

远古核反应堆犹如今天的间歇泉,有着天然形成的自我调节机制。它们在核废料处置和基础物理研究方面,给科学家们提供了全新的思路。

  微堆低浓化改造,是降低高浓铀流失风险、提升核安保水平的有力举措,也是中美核安保领域合作的重要内容。国家原子能机构将本着自愿、务实的原则,与其他国家分享低浓化改造技术经验,协商开展类似改造项目,全面提升全球核安保水平。

⑥用于推进船舶、飞机、火箭等到的核反应堆,称为动力堆。

  加纳微堆是中国原子能科学研究院于1995年通过国际原子能机构技术合作项目为加纳设计、建造的该国第一座研究堆,采用高浓铀为燃料,其建成为加纳核技术人员的培训等工作发挥了积极作用。

铅合金液态金属冷却快堆(lead-cooled fast
reactor,LFR)系统是快中子谱铅(铅/铋共晶)液态金属冷却堆,采用闭式燃料循环,以实现可转换铀的有效转化,并控制锕系元素。燃料是含有可转换铀和超铀元素的金属或氮化物。

  “从1984年至今,我们利用微堆分析的样品多种多样,上至天文、下至地理,涉及地质学、地球化学、生命科学等众多学科。”原子能院微堆室主任李义国说,分析结果为不少研究提供了科学依据。

人类第一座核反应堆的设计者:费米

  当时,随着珠三角现代工农业的迅猛发展,大量人工合成有机化合物被引入到自然环境中,包括一系列有机卤素污染物,这些卤素污染物有致癌、致畸、致突变的风险。借助微堆,深圳较早就对本市的大气和土壤环境进行检测,实时掌握深圳大气和土壤中的污染程度,并及时采取措施。

铀矿

图片 11瑞士洛桑的一座实验型微堆

在奥克罗反应堆遗迹中,氙同位素的构成比例出现异常。找出这种异常的根源,就能揭开远古核反应堆的运作之谜。

  中核集团董事长孙勤认为,首座微堆低浓化后首次满功率运行意味着原子能院已完全掌握了微堆低浓化的全套技术。

核反应堆

  该实验首次临界的成功,是践行中国政府对加纳微堆低浓化改造项目的承诺,体现了各国在核不扩散领域积极开展国际间合作的精神。“加纳模式”也将为后续微堆低浓化以及核不扩散国际间合作提供重要的经验。

VHTR(超高温气冷堆)系统提供热量,堆芯出口温度为1
000℃,可为石油化工或其他行业生产氢或工艺热。该系统中也可加入发电设备,以满足热电联供的需要。此外,该系统在采用铀/钚燃料循环,使废物量最小化方面具有灵活性。参考堆采用600兆瓦堆芯。

  中国目前是世界上唯一完全掌握微堆研究建造技术的国家。微堆不像传统的核反应堆,它没有散热塔,也没有高耸的烟囱,堆芯只有高压锅大小。在业内,微堆也被称“傻瓜堆”,因为它类似一个实验仪器,操作简单,但用途不少,能进行中子活化分析、核仪器探头的考验、教学及培训、少量同位素生产等。

重元素分裂产生的氢元素提供了确凿无疑的证据:奥克罗铀矿在20亿年前确实发生过自持核裂变反应,而且持续时间长达数十万年。

  “最难的是堆芯设计。”李义国说,“由于低浓铀堆芯的燃料芯体和包壳材料与之前的不同,其热工、物理性能等也均有较大不同,须重新进行物理、热工和结构设计,且只能在原有小尺寸的堆芯空间内做出合理调整,设计难度大大增加。”

LFR系统的特点是可在一系列电厂额定功率中进行选择,例如LFR系统可以是一个1200兆瓦的大型整体电厂,也可以选择额定功率在300~400兆瓦的模块系统与一个换料间隔很长(15~20年)的50~100兆瓦的组合。LFR是一个小型的工厂制造的交钥匙电厂,可满足市场上对小电网发电的需求。

  微堆具体能用来干啥?

中子屏蔽需用有较大中子俘获截面元素的材料,通常含硼,有时是浓缩的硼-10。有些屏蔽材料俘获中子后放射出γ射线,因此在中子屏蔽外要有一层γ射线屏蔽。通常设计最外层屏蔽时应将辐射减到人类允许剂量水平以下,常称为生物屏蔽。核电站反应堆最外层屏蔽一般选用普通混凝土或重混凝土。

  多年前,原子能院高级工程师王珂就和团队分析测定了我国南北方78例正常成年人甲状腺含量,发现有地区差异,女性略高于男性,这为评价碘对人体的健康影响提供了背景材料。

核电行波堆的名字借用了无线电技术的行波管,但是物理本质截然不同。行波管是利用电子枪发射的电子注在聚焦系统中给同向传输的微波传递能量,从而放大微波信号。而核电行波堆则是利用起始端少量高浓度铀235裂变产生的快中子轰击贫铀(几乎完全是铀238)生成钚239。钚239俘获中子后裂变生成多达300种的各种中等质量原子,并平均产生2.5个中子和2亿电子伏的能量。裂变能被液态金属钠或其他载热介质吸收用来发电,新产生的中子则维持堆芯里的核反应不断向前行进,直到将整个堆芯“烧”尽为止。行波堆因此得名[4]。

  延伸阅读:

人类第一台核反应堆由美国籍意大利著名物理学家恩利克·费米领导的小组于1942年12月(曼哈顿计划期间)在世界顶级学府芝加哥大学建成,命名为芝加哥一号堆(Chicago
Pile-1)[2]。该反应堆是采用铀裂变链式反应,开启了人类原子能时代,芝加哥大学也因此成为人类“原子能诞生地”。

  该专题研究由光绪帝遗物发辫入手,历时五年,利用微堆中子活化分析技术测试了发辫中砷的含量,并结合其他技术手段,经科学研究分析测算表明光绪的头发截段和衣物上含有剧毒砒霜,而其腐败尸体仅沾染在部分衣物和头发上的砒霜总量就已高达约201毫克。

中文名

原子

在奥克罗反应堆运转的每个活跃期和随后温度仍然很高的一段时间里,大量的氙气(包括形成速度相对较快的氙136和氙134)会被赶走。等到反应堆冷却时,半衰期更长的氙前体(也就是最后会产生含量比较丰富的氙132、氙131和氙129的放射性前体)则会优先与正在形成的磷酸铝颗粒结合起来。随着更多的水回到反应区域,中子被适当地慢化,裂变反应再度恢复,使这种加热和冷却的循环周而复始地重复下去。由此产生的结果,就是我们所观察到的、奇特的氙同位素构成比例。

屏蔽层

原    理

【嵌牛正文】:

8注意事项

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