快中子反应堆乏燃料后处理专利
核燃料扩散的秘密
要了解核燃料升值的秘密，首先要了解核燃料裂变的秘密。一般来说，根据核燃料在自然界的丰度、提取成本和裂变的难易程度，我们选择铀的同位素U-235(元素符号为U)作为核反应堆的燃料，其裂变过程如下:
铀-235的链式反应
因为重元素原子核中质子和中子的总数很高，铀是92号元素，它有92个质子。根据不同的同位素，中子的数量会有所不同，这样巨大的原子核在强力和电磁斥力的作用下是不稳定的，因此可能会衰变或裂变。当铀原子被热中子击中时，它开始裂变过程:
铀235裂变过程
首先，U-235原子在获得一个中子后会变成U-236，但U-236的碱基不稳定，会分裂成两个更小的原子核，即Kr-92(Kr-92第36号元素)和Ba-141(Ba-Ba-141(56号元素)。
U-235原子的核裂变过程
连锁反应的关键
链式反应的关键就在于这个冗余的3n，也就是说裂变过程中会跑出三个冗余的中子，但是快中子U-235不会被吸收，或者吸收率极差，在被下一个原子核俘获之前就跑出反应堆了，无法继续裂变，所以链式裂变会挂掉，裂变反应堆会失速！所以需要减速中子，因为U-235偏好低速中子，所以核反应堆的轻水反应堆和重水反应堆都是根据慢化剂的性质来命名的:
轻水反应堆慢化剂:水H2O
重水反应堆慢化剂:重水D2O
大多数现代商用核反应堆都是这两种类型，其他只是安全结构不同。
增殖反应堆的秘密
链式反应取决于3n个额外中子的数量，这也是增加核燃料价值的关键。因为U-238在快中子的轰击下可以转化为钚-239，每次裂变可以产生2-3个中子将U-238转化为钚-239，所以在这样的反应堆中燃烧的每一个铀核都会产生不止一个钚核，所以燃料越来越多，所以这样叫。
铀-238的原子核吸收一个中子变成铀-239会怎么样？衰变为镎-239，然后通过？衰变为钚-239，这是完美的增殖过程！
核裂变时不同原子释放的中子数是不一样的。一个原子释放并诱发裂变的中子数称为？值，所以呢？如果值大于2，有可能越烧越多。不同的细胞核？这些值如下所示:
铀-235: 2.10
钚-239: 2.45
铀-233: 2.31
钚-239的数值是最高的，所以大部分正在运行或正在运行的快堆到处都使用钚-239作为核燃料(前苏联使用的是浓度相对较高的铀-235)，在其外围，是U-238(不易裂变的铀同位素)可以吸收中子，然后转化为可燃的核燃料。真正的增殖反应堆诞生了，用钚-239做燃料，但是钚-239越烧越多，简直就是完美的反应堆！
快中子增殖堆的装机容量很差。
但事实上，全世界运行的增殖反应堆只有几个！这是为什么呢？是否遭到了传统能源行业的抵制？
为什么这个快中子增殖反应堆没有大量建造？
在上一篇文章中，我们了解到现代核反应堆流行两种慢化剂，一种是轻水反应堆，慢化剂是水，另一种是重水反应堆，慢化剂是重水。但是快中子增殖堆需要快中子，不需要减速中子，所以反应堆堆芯周围不能出现水和重水！
但是，水和重水不仅是慢化剂，还是热交换的重要介质。比如轻水反应堆有压水堆和沸水堆。前者通过高压一次超临界水将高温传递给二次回路中的介质，一般是水！沸水堆直接把水加热成蒸汽(有放射性)，然后带动汽轮机发电。重水堆的流程和压水堆一样！
快中子增殖反应堆用什么来传热？
传热必须有介质，所以说人类文明史就是一部烧开水的历史也不为过。即使在未来的核聚变反应堆里烧水，也只是翻新，而在快中子增殖堆里直接烧水是不可能的，所以必须改变。该介质有以下要求:
首先，这种介质不能使中子减速。
其次，中子吸收面小。
最后，这种介质必须易于流动。
但出乎所有人意料的是，科学家选择了金属钠作为传热介质，因为如果忽略钠固体和容易燃烧爆炸的缺点，它是快堆的完美传热介质，所以大多数建造早期快堆的国家都选择了钠作为冷却剂。事实上，快中子增殖反应堆的结构类似于压水堆。一回路中的水或重水被金属钠代替，金属钠在高温下是一种流动的液体，在外面被涡轮交换使水沸腾，冷却后返回反应堆吸热。
快中子增殖反应堆
金属钠的沸点是883℃，所以反应器的温度必须控制在这个温度以下。但是钠冷堆没有高压，所以压力风险不大。然而，钠是一种物质，当它接触到空气或水时会燃烧和爆炸。高温金属钠一旦泄漏，风险很大，所以冷快中子反应堆遇到的最大问题就是钠泄漏引发的火灾，这似乎是一个尚未解决的问题！
钠冷快中子增值反应堆
著名的钠冷快堆事故
众所周知的钠冷快堆事故是日本的文殊堆。1995年2月8日，文殊堆二次冷却系统温度计(热电偶)套管损坏，640公斤钠蒸汽从管道中喷涌而出，引发火灾。反应堆紧急停堆，调查负责人在东京酒店自杀一个月。
日本的文殊增殖堆
此后，文殊反应堆的安全设计和泄漏时采取的措施出现重大失误。所以关于是否重启的拉锯战已经持续了近15。2010年5月6日然而，同年8月26日，反应堆内燃料更换的机械臂发生故障，导致无法更换浓缩燃料(日本将从中分离钚-239)，导致负责人坠落事故。
日本正式报废文殊堆
2016 65438+2月21，日本政府决定1970开工，1995运行，总造价1万亿日元，但是只正常运行了250天的文殊堆就退役了！
其他冷却剂呢？
金属铅作为冷却剂也能满足需求。铅的中子吸收截面比钠小，功率密度更高，可以用来建造更大的核电站。然而，它的问题和优点一样明显。因为铅的熔点是327℃，在管道里很难融化，一旦启动就必须不停的流动。铅蒸气剧毒，建设成本太高！
苏联铅冷快堆结构图
气冷快中子增殖堆实际上是气冷核反应堆历史上最早的堆型(石墨做慢化剂，切尔诺贝利做压力管石墨沸水堆)，但功率密度低，燃料消耗低，被沸水堆和压水堆取代。然而，与快中子增殖堆中的钠和铅相比，气冷的缺点并不那么明显。
气冷快速增殖反应堆
气冷快中子增殖反应堆仍在研究中。它属于第四代核反应堆，使用氦气或二氧化碳作为冷却气体。希望它的出现能解决问题，发挥优势，利用现代难以处理的乏燃料，这样即使核聚变还没有实现，人类也能坚持几千年。
除了快中子增殖堆，还有其他越烧越多的反应堆吗？
一般来说，除了快中子增殖堆，重水堆也可以用来制造核燃料，但效率和利用率没有快堆高。现代核燃料的最佳循环是通过重水堆获得原始钚-239积累，然后用快堆燃烧钚-239，获得70%的核燃料利用率，这将使人类核燃料增加数百倍。但遗憾的是，由于种种限制，暂时无法完美实现。
反应堆芯
与裂变类似，中子增殖的方式也会出现在核聚变反应堆中，这种方式来自于人类正在试图突破的氘氚聚变反应堆，因为这是最容易满足聚变条件的两种材料。海水中氘的含量为0.02%，而氚基本不存在，但可以通过中子轰击锂-6产生，因此也提供了一种在氘氚聚变中用多余的、难处理的中子轰击锂-6实现氚自持产生的途径。
氘氚聚变反应
因为氘氚聚变不需要中子，中子是一个很讨厌的东西，处理不了，只是对聚变燃料氚的产生贡献很小。理论上一个氚核和氘聚变可以产生一个中子，但是因为中子没有控制好，这个效率还是值得商榷的，但是一点点弄回来，比第一堵墙就把人给轰了好多了。
对于现代人类掌握的这项技术，核聚变暂时还比较遥远，而快堆技术受到各种安全技术的限制，但总的来说，快堆还是离我们比较近的。毕竟各国都有失败的经验，也有成熟的经验，比如中国的快堆。中国实验快堆？2012投产，目前正常运行。未来，随着第四代气冷快堆技术的成熟，全球能源技术将会出现一场核能革命，这无疑是核聚变实现之前最好的消息。