脈衝反應堆

脈衝反應堆最早是由美國通用動力公司原子能部（General Atomic）研究發展的一種小型反應堆。其最初的研製目的是為了發展一種固有安全性好、用途廣泛的研究堆。該堆型採用氫化鋯與鈾均勻彌散混合的固體燃料－慢化劑元件，該類型燃料具有較大的瞬發負温度係數脈衝反應堆為池式研究堆，結構簡單、運行方式多樣，是國際公認的具有良好固有安全性的反應堆，以西安脈衝反應堆為例，在脈衝運行模式下能獲得較強的功率脈衝（約4300MW）和中子脈衝，因此脈衝反應堆在基礎科學研究和技術應用上獲得了較為廣泛的重視。脈衝反應堆在國際上又稱作TRIGA堆。自1958年世界上第一座TRIGA堆在美國建成應用以來，已有超過20個國家和地區從GA公司購買建造了60餘座TRIGA堆，反應堆安全運行時間超過千堆年，成為世界範圍內建造最多、應用最廣的研究堆。如圖1所示。

鈾氫鋯脈衝反應堆按照民用核設施的有關標準、規範進行設計和建造，總的設計原則是確保安全可靠、便於運行操作維護，具有一定的經濟性和先進性。鈾氫鋯脈衝反應堆設計、建造和運行所採用的基本安全原則和核安全驗收準則包括：固有安全設計原則、停堆安全準則、餘熱導出安全準則、放射性包容安全準則和輻射防護原則。鈾氫鋯脈衝反應堆的固有安全特性包括以下幾個方面：

（1）由於UZrHx是燃料－慢化劑一體化燃料，燃料中的氫對中子具有很好的慢化作用，且隨温度變化其慢化能力會發生較大的改變。是脈衝堆具有固有安全特性的首要因素，也是脈衝堆具有脈衝特性的物理基礎；

（2）UZrHx燃料具有良好的裂變產物特別是裂變氣體的包容能力。在設計基準事故工況下，脈衝堆燃料的氣體裂變產物釋放份額小於0.1‰。這一特性使得脈衝堆即使在發生大範圍的燃料元件包殼破損事故時，只要保持燃料的温度低於其熔點，就能夠有效減小事故的放射性釋放；

（3）UZrHx燃料和水不產生化學反應。試驗表明即使在1200℃的高温下淬火，UZrHx燃料也不與水產生明顯的反應；

（4）脈衝堆採用池式反應堆結構，堆芯依靠堆池水的自然循環冷卻，當反應堆停堆後，堆芯餘熱可依靠池水的自然循環冷卻，池水與環境間的非能動熱量交換可完全滿足堆芯餘熱導出的需要。 ^[2] 

引起核裂變的中子以快中子為主的脈衝堆稱為快中子脈衝堆(FBR)。爆發脈衝的機理主要是熱膨脹自熄滅機制。爆發脈衝的原理與槍式原子彈（如圖2所示）的原理類似，將一塊裂變材料組成的部件快速靠近或插入另一塊部件，使其組成的系統達到超瞬發臨界狀態，從而產生裂變鏈式反應。

當一個裂變部件（稱為脈衝棒）完全插入堆芯後脈衝堆的瞬發中子增殖因子大於1，因此，根據反應堆動態學，堆內裂變率就以指數函數的形式極快地增長，增長的倍週期通常在幾微秒到幾十微秒之間，也就是幾微秒到幾十微秒反應堆的裂變反應率就增長一倍。與此同時，堆燃料部件的温度也快速增高，致使堆芯部件逐漸膨脹，使堆具有負反應性温度係數，因此堆系統的反應性逐漸減少。當堆系統反應性減少到瞬發臨界狀態時，堆內裂變率達到最大值，隨着堆體温度繼續升高，堆系統反應性繼續下降，減至瞬發臨界以下後，堆內裂變率隨之下降，這樣形成了一個很強的脈衝中子和γ輻射。上述脈衝過程在數十微秒到數百微秒的時間內完成。

快中子脈衝堆由固定部分、主安全塊、輔助安全塊、脈衝棒和控制棒等組成。第一個用於產生強-短裂變脈衝的反應堆是Godiva，該裝置活性區為球形結構，所使用的高濃縮鈾的質量約53kg，U富集度93%。活性區於1951年建成並用於臨界質量測量以及其它核物理參數測量，最初沒有打算用於爆發裂變脈衝。Godiva裝置大致可分成質量基本相近的三塊。中間為固定支撐在鋼管上的不動塊，內部設置有一個比較小的樣品孔槽以及控制棒孔槽。上、下塊可通過氣動傳動系統驅動，這兩個部分也同時起獨立的事故保護功能。Godiva裝置裂變脈衝產額1e16裂變，脈衝半高寬約100μs，脈衝下活性區外表面中子注量2×10cm。

快中子脈衝堆主要作為實驗室的核爆模擬輻射源，其輻射場能較好地模擬高空核爆炸的核輻射環境，快中子脈衝堆主要應用於：(1)電子系統和部件的抗核輻射能力的檢驗；(2)核輻射生物學效應和輻射劑量學研究；(3)堆泵浦激光技術和堆泵浦強激光驅動源概念設計研究；(4)臨界事故報警器和劑量儀的檢驗或校核；(5)堆物理研究和裂變核碎片的參數測量；(6)新概念武器的探索研究；(7)中子照像；(8)培訓。

我國第一座脈衝反應堆原型驗證堆由中國核動力研究設計院設計研製，於1990年建成。這座反應堆是世界上最先進的一種堆型。它採用的是一種特殊的鈾氫鋯燃料——慢化劑元件，當反應堆發生功率陡增事故時，這種慢化劑能產生瞬發負温度係數，從而達到自動調節功率的作用，因此具有很好的安全性，可建在人羣密集的大城市乃至大專院校和大公司內。這種堆因為堆芯緊湊，結構簡單，安全保障設施要求較低，因此建造和運行費用較低，如果用於發電，可大幅度降低成本，具有廣闊的商業化前景。這一成果標誌着繼美國之後，我國已成為世界上第二個能建造這種反應堆的國家。

第一座商業脈衝反應堆——西安脈衝反應堆於2000年在我國西北地區建成並投入使用。西安脈衝反應堆已安全運行10餘年，在反應堆物理、核物理、核化學、生物學、材料科學等領域中發揮了不可替代的作用。