大家好，我是冰封之龙。在上一篇中，我介绍了核反应堆的基本原理和热中子堆，今天让我给大家说说另一大类反应堆——快中子堆。

在上一篇已经提到，快堆是利用快中子激发链式反应的反应堆，由于快中子的能量较高，能够使得铀238这样比较稳定的核材料都能发生核裂变（这也是所谓的三相弹外壳之所以用铀238制造的原因，因为三相弹在聚变核心启动后会释放巨大数量的快中子，足以把外壳的U238全部引发裂变，使得威力大幅提升，目前美国W87核弹有六成以上能量由外层U238提供），因此对于热中子堆仅能利用天然铀资源中0.7%的天然铀235来说，快中子堆给予人类利用其它99%的U238的可能性，使得它长期的经济效益非常好。而且，在慢中子堆运行后会生成大量乏燃料，其中不乏碘131这类高污染废料和未使用的U238等半衰期达到45亿年的长寿命核素，这样的核废料成为核污染的很大隐患，而快堆则可以把这些“废物”再次利用起来，或者用快中子使得其进一步裂变放能，或者将高放射性的核素打碎成放射性较低或寿命较短的核素，降低未来核废料填埋压力。

其次，由于目前的快堆也是利用工质（如液态金属、氦气等）导出热能，因此链式反应的中子仍然会发生一定程度的减速，这样就导致快堆中的U238会有相当一部分并不直接参与链式反应，而是吸收被工质减速的中子经过一系列嬗变生成钚239，而钚239又是一种堪比U235的可裂变物质，既可以维持反应堆正常工作，又可以取出纯化作为核弹或其他反应堆的材料，故这类同时生产钚239的快堆又被称为快中子增殖反应堆。

由于有这两个经济意义，目前快中子堆被列入第四代核电技术，备受各国重视。

不过，虽然快堆被普遍认为是“第四代核反应堆”，但在目前第三代堆都不普及的情况下，第四代堆实际上已经有了五十年以上的发展历史了。这种“未来的老兵”，也体现出快堆迄今为止相当大的开发难度。

让我们分类谈谈快堆。快堆目前有几个比较热的流派：金属冷却快堆、熔盐反应堆和高温气冷球床反应堆（其他杂七杂八的实验堆就不提了）。

首先人类最早搞的是金属冷却快堆。有很多低熔点金属对中子的吸收能力很低，同时沸点又很高，因此适合作为快堆的工质。目前有两大类：钠冷快堆和铅冷快堆。

在1960年，苏联，美国首先利用钠钾合金作为工质研发了钠冷快堆，这种合金常温就是液态（不同混合比的熔点：-11℃(K78%,Na22%); 19℃(K56%, Na44%);，而沸点高达700度以上（沸点: 784℃(K78%,Na22%); 825℃(K56%, Na44%);），比起压水堆通常出口温度350高出一倍以上，因此在加热二回路的水方面拥有较高热效率，还可以作为超临界蒸汽进一步增温的热源。在1964年，前苏联在里海沿岸的阿克陶（目前归哈萨克斯坦）开始建设BN-350（苏联后三位数代表功率，如350代表他热功率350兆瓦（实际发电功率135兆瓦），下同）钠冷增殖快堆，1973年发电，同时生产钚239和给城市供水，一直安全运行了20年，在1994年关闭。在1980年，苏联又在斯维尔德洛夫斯克州投产了它的发展型BN-600钠冷快中子增殖反应堆，2014年再次兴建了更大功率的BN-800快中子反应堆，这种反应堆燃烧效率很高，既可以生产钚材料，又可以作为销毁废弃的核弹中的钚材使用，因此在军事和商用方面都很有价值。

但是钠冷快堆有两个问题。第一是由于核材料对快中子的裂变截面比起热中子低很多，因此快堆必须要采用20%左右的浓缩铀才可以稳定运转（相比一般轻水堆只需要3%，而石墨堆和重水堆甚至可以用0.7的天然铀），第二就是钠钾合金对于管道有严重的腐蚀作用（根据相似相溶原理，液态合金对于金属材质有着很强溶解性，比如日常司空见惯的水银在中国古代就常被用于溶解黄金，然后涂抹在物体表面烤干，金就会均匀吸附在物体表面，这就是我们常说的“鎏金”，中和殿上面的金色圆球就是这个工艺鎏金的），而且一旦泄露，学过高中化学课的大家都知道碱金属对于氧气和水都是高度敏感的，极易起火，因此苏联的BN-600，和日后日本人修建的“文殊”钠冷快堆都发生过钠钾合金泄露起火的事故，只不过BN-600发生的都是小规模事故，而文殊在建成后不足一年就发生了大规模钠钾合金泄露起火的严重事故，被迫关闭，2010年重启后又连续发生事故，加之311地震后日本人弥漫着反核情绪，文殊已经在2018年批准退役。

第二种液态金属反应堆就是铅冷快堆。大家可能问，铅板不是可以防辐射吗？那怎么还能作为反应堆传送中子的工作介质呢？其实，铅这种高密度，高原子量金属（当然比铅更重的金属，如铀自身也一样）的防辐射一般指的是防电磁辐射，如阿尔法射线、贝塔射线和伽马射线，而对不带电的中子基本没有隔绝作用（吸收中子反而是轻元素构成的分子有效，如水），因此适合作为冷却剂。

苏联铅冷快堆结构图

铅冷堆用的冷却剂为铅铋合金。这种合金熔点也只有123.5度，沸点则高达1600度以上，因此铅冷堆的热功率理论上比起钠冷堆还要高。而且铅冷堆由于运用铅铋合金，因此不会出现钠冷堆钠钾合金泄漏起火的问题，且高密度的铅铋合金自身还可以阻绝伽马射线的辐射，非常有利于压缩体积。苏联的阿尔法级核潜艇就是运用了这种设计。2014年9月，针对阿尔法级核潜艇的铅冷快堆的商用堆BREST-300也研发完毕，更大的BREST-1200也在开发中，国内提出的核电宝（袖珍可移动反应堆）也是基于这种设计的。

但是铅冷堆不可避免也有很多劣势。第一，铅冷堆因为大量使用铅铋合金，而铅的密度大家也很清楚，远远比水大得多，因此装满了冷却剂后的铅冷堆可达上千吨沉（尤其是商用堆），对于支撑材料要求很大；第二，铅冷堆因为铅铋合金需要大量的铋资源，而铋价格很高，建设费用大；第三，由于铅铋合金熔点最低也在120度以上，因此一旦出现事故泄漏，那么铅铋合金漏出后就会迅速凝结成金属，难以清理，并且铅铋合金和其他液态金属一样会严重溶解金属材料，使得它管线制造难度更大，苏联阿尔法级核潜艇第一艘K-64号就是因为试航时铅铋合金泄漏，把整个舱室填满成了固体，导致它立即被退役拆毁。最后，铋元素在中子照射下会生成钋-210这种高毒性核素，使得它二回路需要比较好的屏蔽，并且退役的冷却剂也需要安全处置。所以，铅冷快堆目前距离应用还有一段距离。

第三种快堆就是我们常说的高温气冷快堆。这种快堆最早是德国人在1960年修建的AVR反应堆，后来苏联也用它给自己的海洋侦察卫星供电。AVR反应堆特色在于他用高速流动的氦气作为冷却剂，以包裹核材料的石墨球（有点像球墨铸铁）同时代替了核燃料棒和中子慢化剂（尽管它多数时候还是被认为是快堆，毕竟不像苏联RMBK反应堆把中子减速到热中子），整个装置用钢材封装。这样一来，耐高温的石墨球在堆积起来后，就达到了临界体积，开始发生链式反应并加热氦气，高温的氦气不和其他物体发生化学反应，故可以安全通过导管输送到汽轮机直接驱动发电机。而高温的气体还会“吹动”燃料球，使得它可以在一定范围内自动增大体积，降低核反应效率，避免了堆芯熔毁的可能性。但是，由于德国人设计不良，在1986年切尔诺贝利事故后不到一星期，他的THTR-300气冷堆的燃料球供应系统发生故障，燃料球卡住并破裂，随即被高温高速的氦气流吹到汽轮机中，然后通过安全泄压系统大量排放到空气里，导致了严重的核泄漏。更严重的是，德国政府一开始打算把这件事伪装成切尔诺贝利的附加影响，指责附近检测出的核辐射来自于切尔诺贝利，结果很快被揭穿，当地的辐射产物只有30%来自于切尔诺贝利，其他都是THTR-300产生的。这导致德国民众异常愤怒，要求德国政府立即关闭国内的高温气冷堆，在1988年两台气冷堆相继关停。由于后期处理缺乏资金，AVR迄今未开始有效的拆除工作，而且由于它反应堆的安全底意外破损，大量燃烧过的燃料球滚落出来，导致厂房被严重污染，主要污染物是锶-90。由于污染面积很大，德国政府不得不决定推迟到本世纪结束，等锶-90经3轮半衰期（28.5年）降低到安全辐射水平后再予以拆除。

由于这些失败案例，德国人在90年代把相关技术全部卖给中国，而中国在此基础上开发了HTR-10气冷堆，2003年在清华大学核动力研究所开始运行。在此之后，中国认真分析了德国人的失败案例，尤其是它导致灾难的燃料球供应系统，中国人得出结论：应当避免给球床反应堆更换燃料。这样，我们新一代气冷堆采用了“一次封装”技术，将燃料球一次加满够用20年以上，然后封在钢制容器里运输到目的地，使用20年退役时再整体拆除，移动回专门的工厂再解体卸载核燃料，这就避免了运行中补给燃料球导致的事故概率。同时，由于整个反应堆一次封装，使得外界无法窃取到里面的核物质，有效避免核扩散；最后，一次封闭，整体吊装也使得安装现场避免了精密的核反应堆的来回拆装，有利于降低事故。

如今，HTR-10的发展扩大型HTR-PM已经在石岛湾核电站紧张地建设中，中国有望成为第一个采用四代反应堆进入商业发电的国度。让我们拭目以待吧。