脉冲反应堆

反应堆科学名词

脉冲反应堆分为热中子脉冲堆和快中子脉冲堆两类。中国建成了一座铀氢锆脉冲反应堆，是以铀氢锆作燃料的反应堆。

发展概况

脉冲反应堆最早是由美国通用动力公司原子能部（General Atomic）研究发展的一种小型反应堆。其最初的研制目的是为了发展一种固有安全性好、用途广泛的研究堆。该堆型采用氢化锆与铀均匀弥散混合的固体燃料－慢化剂元件，该类型燃料具有较大的瞬发负温度系数脉冲反应堆为池式研究堆，结构简单、运行方式多样，是国际公认的具有良好固有安全性的反应堆，以西安脉冲反应堆为例，在脉冲运行模式下能获得较强的功率脉冲（约4300MW）和中子脉冲，因此脉冲反应堆在基础科学研究和技术应用上获得了较为广泛的重视。脉冲反应堆在国际上又称作TRIGA堆。自1958年世界上第一座TRIGA堆在美国建成应用以来，已有超过20个国家和地区从GA公司购买建造了60余座TRIGA堆，反应堆安全运行时间超过千堆年，成为世界范围内建造最多、应用最广的研究堆。如图1所示。

铀氢锆脉冲反应堆

铀氢锆脉冲反应堆按照民用核设施的有关标准、规范进行设计和建造，总的设计原则是确保安全可靠、便于运行操作维护，具有一定的经济性和先进性。铀氢锆脉冲反应堆设计、建造和运行所采用的基本安全原则和核安全验收准则包括：固有安全设计原则、停堆安全准则、余热导出安全准则、放射性包容安全准则和辐射防护原则。铀氢锆脉冲反应堆的固有安全特性包括以下几个方面：

（1）由于UZrHx是燃料－慢化剂一体化燃料，燃料中的氢对中子具有很好的慢化作用，且随温度变化其慢化能力会发生较大的改变。是脉冲堆具有固有安全特性的首要因素，也是脉冲堆具有脉冲特性的物理基础；

（2）UZrHx燃料具有良好的裂变产物特别是裂变气体的包容能力。在设计基准事故工况下，脉冲堆燃料的气体裂变产物释放份额小于0.1‰。这一特性使得脉冲堆即使在发生大范围的燃料元件包壳破损事故时，只要保持燃料的温度低于其熔点，就能够有效减小事故的放射性释放；

（3）UZrHx燃料和水不产生化学反应。试验表明即使在1200℃的高温下淬火，UZrHx燃料也不与水产生明显的反应；

（4）脉冲堆采用池式反应堆结构，堆芯依靠堆池水的自然循环冷却，当反应堆停堆后，堆芯余热可依靠池水的自然循环冷却，池水与环境间的非能动热量交换可完全满足堆芯余热导出的需要。

快中子脉冲堆

引起核裂变的中子以快中子为主的脉冲堆称为快中子脉冲堆(FBR)。爆发脉冲的机理主要是热膨胀自熄灭机制。爆发脉冲的原理与枪式原子弹（如图2所示）的原理类似，将一块裂变材料组成的部件快速靠近或插入另一块部件，使其组成的系统达到超瞬发临界状态，从而产生裂变链式反应。

当一个裂变部件（称为脉冲棒）完全插入堆芯后脉冲堆的瞬发中子增殖因子大于1，因此，根据反应堆动态学，堆内裂变率就以指数函数的形式极快地增长，增长的倍周期通常在几微秒到几十微秒之间，也就是几微秒到几十微秒反应堆的裂变反应率就增长一倍。与此同时，堆燃料部件的温度也快速增高，致使堆芯部件逐渐膨胀，使堆具有负反应性温度系数，因此堆系统的反应性逐渐减少。当堆系统反应性减少到瞬发临界状态时，堆内裂变率达到最大值，随着堆体温度继续升高，堆系统反应性继续下降，减至瞬发临界以下后，堆内裂变率随之下降，这样形成了一个很强的脉冲中子和γ辐射。上述脉冲过程在数十微秒到数百微秒的时间内完成。

快中子脉冲堆由固定部分、主安全块、辅助安全块、脉冲棒和控制棒等组成。第一个用于产生强-短裂变脉冲的反应堆是Godiva，该装置活性区为球形结构，所使用的高浓缩铀的质量约53kg，U富集度93%。活性区于1951年建成并用于临界质量测量以及其它核物理参数测量，最初没有打算用于爆发裂变脉冲。Godiva装置大致可分成质量基本相近的三块。中间为固定支撑在钢管上的不动块，内部设置有一个比较小的样品孔槽以及控制棒孔槽。上、下块可通过气动传动系统驱动，这两个部分也同时起独立的事故保护功能。Godiva装置裂变脉冲产额1e16裂变，脉冲半高宽约100μs，脉冲下活性区外表面中子注量2×10cm。

快中子脉冲堆主要作为实验室的核爆模拟辐射源，其辐射场能较好地模拟高空核爆炸的核辐射环境，快中子脉冲堆主要应用于：(1)电子系统和部件的抗核辐射能力的检验；(2)核辐射生物学效应和辐射剂量学研究；(3)堆泵浦激光技术和堆泵浦强激光驱动源概念设计研究；(4)临界事故报警器和剂量仪的检验或校核；(5)堆物理研究和裂变核碎片的参数测量；(6)新概念武器的探索研究；(7)中子照像；(8)培训。

中国脉冲反应堆

我国第一座脉冲反应堆原型验证堆由中国核动力研究设计院设计研制，于1990年建成。这座反应堆是世界上最先进的一种堆型。它采用的是一种特殊的铀氢锆燃料——慢化剂元件，当反应堆发生功率陡增事故时，这种慢化剂能产生瞬发负温度系数，从而达到自动调节功率的作用，因此具有很好的安全性，可建在人群密集的大城市乃至大专院校和大公司内。这种堆因为堆芯紧凑，结构简单，安全保障设施要求较低，因此建造和运行费用较低，如果用于发电，可大幅度降低成本，具有广阔的商业化前景。这一成果标志着继美国之后，我国已成为世界上第二个能建造这种反应堆的国家。

第一座商业脉冲反应堆——西安脉冲反应堆于2000年在我国西北地区建成并投入使用。西安脉冲反应堆已安全运行10余年，在反应堆物理、核物理、核化学、生物学、材料科学等领域中发挥了不可替代的作用。

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