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鈉冷快堆與D類幹粉滅火防護

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月獲國務院批准立項,2000年5月開工建設,已于2011年7月21日10點成功實現並網發電。中國“示範快堆”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年建成投産。

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,使之成爲熱中子(或稱慢中子),再利用熱中子來進行鏈式反應的一種裝置。

由于热中子引起核燃料裂变的几率大,因而热中子堆只需较少的核燃料就可以实现链式裂变反应。特别是当用重水和石墨慢化时,可以使用天然铀作核燃料。在缺乏浓缩铀能力的核工业发展初期,这是一个优点。熱堆较易控制,需要的核燃料少,还可以用天然铀作为核燃料,所以较易建造,发展得最早。

在熱堆中,热中子除泄漏和被俘获外,一部分使235U裂变,另一部分被238U吸收,使之转化为239Pu。239Pu继续吸收热中子也可以裂变,而且还有极少一部分238U,能被尚未来得及慢化的快中子击中而裂变。所以,熱堆既可以利用235U做核燃料,也可以利用238U实现核燃料的转化。

如果bbin线上官网 將反應堆中“烧”过的燃料元件中剩余的235U及239Pu,在后处理中提取出来,制成新的燃料元件放入反应堆,如此反复多次,则可以使更多的235U和238U通过裂变或转化得到利用。但由于后处理投资大、费用高等原因,目前还主要是采用“一次通过”的方式。燃料元件在反应堆内“通过”后,就存放在反应堆旁的贮存水池内,以备将来后处理之用。由于“烧”过的燃料元件没有后处理,目前的热中子动力堆对铀的利用率低于1%。由于熱堆只能利用铀中很少的一部分,所以目前已探明的铀储量中,只有那些含铀量超过万分之几、开采方便的铀矿才有经济价值。目前陆地上已探明的经济可采铀储量大约是五百多万吨。尽管热中子反应堆目前是一种安全、清洁、经济的工业能源,但到本世纪中叶,可以经济开采的铀资源枯竭时,熱堆的经济性就会受到严重的挑战。

当前,熱堆的主要问题是,只能利用包括裂变燃料235U和转换材料238U在内的铀资源中极少的一部分。必须采用行之有效的措施,从根本上消除目前熱堆对铀资源的浪费,使包括238U在内的铀资源,能在核反应堆中得到充分利用。

快堆,以鈾-钚燃料循環爲基礎,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、冷卻劑及各種裂變産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轉變爲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,還可以産生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,這種情況稱爲核燃料的增殖。

这是快堆与目前熱堆的主要区别,也是快堆的主要优点。因此快堆又称增殖堆或快中子增殖反应堆。

由于快堆仅在启动时需要投入核燃料,所以它对核燃料价格的上涨,不如熱堆那么敏感。理论上快堆可以将238U,235U及239Pu全部加以利用。但由于反复后处理时的燃料损失及在反应堆内变成其它核素,快堆只能利用70%以上的铀资源。即使如此,也是目前的熱堆对核燃料的利用率的80倍。由于快堆对核燃料的涨价不如熱堆那么敏感,因而含铀量低的铀矿也有开采的经济价值。而且目前浓缩铀工厂库存的贫铀,熱堆中卸出的乏燃料,都可以成为快堆的“粮食”来源。由于快堆中能实现239Pu的增殖,如果我们通过后处理,将快堆增殖的核燃料不断提取出来,则快堆电站每过一段时间,它所得到的239Pu,还可以装备一座规模相同的快堆电站。这段时间,称为倍增时间。经过一段倍增时间,一座快堆会变成两座快堆,再经过一段倍增时间,这两座快堆就变成四座。按照目前的情况,快堆的倍增时间是三十多年。也就是说,只要有足够的238U,每过三十多年,快堆电站就可以翻一番。

快堆的功率密度大,又不允許冷卻劑對中子産生強烈的慢化作用,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,可以將快堆分爲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後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、液態金屬鈉冷却剂的特点

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。但鈉的熔點爲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,要采取嚴格的防範措施,这比熱堆中用水作为冷却剂时问题要复杂得多。

壓水堆的出口水溫約330℃,燃料元件包壳的最高温度约350℃;而快堆为了提高热效率并适应功率密度的提高,冷却剂的出口温度为500℃至600℃,燃料元件包壳的最高温度达650℃,比熱堆包壳的温度高得多。很高的温度、很深的燃耗以及数量很大的快中子的强烈轰击,使快堆内的燃料芯块及包壳碰到的问题比熱堆复杂得多。由于以上原因,虽然快堆早在20世纪40年代起步,只比熱堆的出现晚四年,而且第一座实现核能发电的是快堆,但是现在还未发展到商用阶段。然而,通过一系列试验堆、示范堆和商用验证堆的建造,上述困难已基本克服,快堆技术现在已日臻完善,为大规模商用准备了条件。

三、浙江bbin线上官网消防D類幹粉滅火劑

浙江bbin线上官网消防是一家D類幹粉滅火産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,bbin线上官网研發成功滅金屬鎂、钛等D類Ⅰ型幹粉滅火劑,當年10月研發成功滅三乙基鋁、正丁基锂等D類Ⅲ型幹粉滅火劑。2011年7月,經過三年攻關,bbin线上官网成功研發出滅金屬鈉、锂等D類Ⅱ型幹粉滅火劑。

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bbin线上官网考察,了解浙江bbin线上官网D類滅火劑在撲滅金屬鈉火方面的情況,bbin线上官网董事長、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bbin线上官网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類幹粉的,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分開始各項准備,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分鍾鈉火撲滅,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,即滅即攪拌無複燃。這次浙江bbin线上官网把撲滅金屬鈉火進行全程錄像,並爲中國實驗快堆工程指揮部鈉工藝室提供視頻資料供日後使用。

此後,根據《D類幹粉滅火劑》(GA 979-2012)标准和实验,国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验中心于2017年11月7日签发了bbin线上官网D-Na干粉灭火剂合格《型式检验报告》,以及D-Mg与D--AI(C2H5)3干粉灭火剂合格《型式检验报告》。

2018年底,质量、技术、服务要求更高的D類幹粉滅火劑“浙江制造”团体标准(T/ZZB 0787-2018)发布实施,2019年初,浙江bbin线上官网在业内率先提出了D類幹粉滅火劑“浙江制造”的认证申请。经过资料审阅、专家评审、现场审核合格。2019年9月29日,认证机构签发了bbin线上官网D类Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型干粉灭火剂“浙江制造”认证证书。随后又授予认证品牌标识的样版。

  (顧一問 鄭又理)


  
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