快堆是堆内的裂变是由中子能量超过0.1兆电子伏的高能中子,即快中子,引起的。
快堆的主要特点:
第一,可实现裂变材料的增殖:不易在热中子作用下发生裂变反应的铀-238,在吸收了快中子后,可以变成另一种易裂变的核素钚-239。快堆中,在不断消耗钚-239的同时,又有铀-238不断转变成新的钚-239,而且新生的钚-239比消耗掉的还多,从而使堆中核燃料变多,实现裂变材料的增殖。因此,快堆也被称为快中子增殖堆。
第二,可以大幅度提高铀资源的利用率,充分利用核燃料:热堆核电厂主要利用铀-235裂变发电,在天然铀中,铀-235仅占0.71%,占绝大多数的铀-238不能利用。而快堆核电厂在发电中消耗的是铀-238,使铀利用率,即有效利用铀原子数与消耗铀原子数之比,提高到60~70%。与热堆相比,快堆的铀利用率比采用开路式燃料循环的压水堆约高100倍,比重水堆高70倍以上。
第三,核燃料的富集度要比热堆的高:在快中子作用下,裂变的几率比在热堆中小得多,因此需要增加核燃料的富集度才能维持稳定的链式反应,一般为12~30%。
第四,功率密度比热堆大几倍。
第五,快堆的利用能为人类提供极其丰富的能源:由于快堆可提高铀资源的利用率,消耗的是铀浓缩厂的尾料——铀-235富集度下降到0.2%左右的贫化铀,因此不仅核燃料成本大幅下降,而且使得低品位铀矿,如海水等也有开采价值,可利用的铀资源大大扩展,从而实现核能发展的核燃料可持续发展。
第六,快堆可有效处置热堆核电发展过程中产生的长寿命锕系核素:热堆核电发展过程中会不断地积累长寿命的裂变产物和锕系核素,这是核能发展中存在的环境生态问题。长寿命的裂变产物和锕系核素在快堆中,可以有效地转变为短寿命的同位素,从而实现核能发展的环境生态方面的可持续发展。
通过40年来的努力,快堆技术上已日臻完善,是目前接近成熟的堆型,但仍存在较为复杂的问题有待解决。
快堆最大的好处,就是第二,可以大幅度提高铀资源的利用率,充分利用核燃料。更加重要的是快堆可以烧热堆烧完的核废料。3代反应堆的废物后处理是一个非常重要的问题,特别是要核电大国,有效利用核废料是核心技术之一。
快堆就是堆芯内不存在水等轻核慢化剂的反应堆,堆芯内的平均中子能量在0.1MeV以上。由于易裂变核素,如Pu–239等,平均每吸收一个中子发生裂变反应产生的中子数(eta)随着中子能量增加而提高,在快中子谱下,eta大于2,除维持链式反应外,尚有多余的中子使增殖核素U-238等俘获产生易裂变核素Pu-239,从而可以实现核燃料的增殖。快中子谱下,Np-237、Am-241、Am-243、Cm-242、Cm-244等次锕系核素,作为核废料中的主要长寿命放射性核素,其裂变截面与俘获截面的比值较高,即上述次锕系核素更倾向于裂变,因而快堆可将核废料转化为短寿命或低毒性的核素,该过程称为嬗变。总结来说,快堆主要功能为核燃料增殖和核废料嬗变。