钠冷快堆与D类干粉灭火防护

快堆是快中子增殖堆的简称。中国“实验快堆”是国家“863”计划最重大项目，列入了国家中长期科技发展规划前沿技术研发目标。于1992年3月获国务院批准立项，2000年5月开工建设，已于2011年7月21日10点成功实现并网发电。中国“示范快堆”建在福建霞浦，是国内核能战略“三步走”（热中子反应堆、快中子增殖堆、受控核聚变堆）关键环节，也是新时代中国核工业发展的标志性工程。该工程已于2017年12月29日开工建设，计划于2023年建成投产。

一、热堆、快堆、钠冷快堆

热堆是热中子反应堆的简称。热中子反应堆是用慢化剂把快中子速度降低，使之成为热中子（或称慢中子），再利用热中子来进行链式反应的一种装置。

由于热中子引起核燃料裂变的几率大，因而热中子堆只需较少的核燃料就可以实现链式裂变反应。特别是当用重水和石墨慢化时，可以使用天然铀作核燃料。在缺乏浓缩铀能力的核工业发展初期，这是一个优点。热堆较易控制，需要的核燃料少，还可以用天然铀作为核燃料，所以较易建造，发展得最早。

在热堆中，热中子除泄漏和被俘获外，一部分使235U裂变，另一部分被238U吸收，使之转化为239Pu。239Pu继续吸收热中子也可以裂变，而且还有极少一部分238U，能被尚未来得及慢化的快中子击中而裂变。所以，热堆既可以利用235U做核燃料，也可以利用238U实现核燃料的转化。

如果我们将反应堆中“烧”过的燃料元件中剩余的235U及239Pu，在后处理中提取出来，制成新的燃料元件放入反应堆，如此反复多次，则可以使更多的235U和238U通过裂变或转化得到利用。但由于后处理投资大、费用高等原因，目前还主要是采用“一次通过”的方式。燃料元件在反应堆内“通过”后，就存放在反应堆旁的贮存水池内，以备将来后处理之用。由于“烧”过的燃料元件没有后处理，目前的热中子动力堆对铀的利用率低于1％。由于热堆只能利用铀中很少的一部分，所以目前已探明的铀储量中，只有那些含铀量超过万分之几、开采方便的铀矿才有经济价值。目前陆地上已探明的经济可采铀储量大约是五百多万吨。尽管热中子反应堆目前是一种安全、清洁、经济的工业能源，但到本世纪中叶，可以经济开采的铀资源枯竭时，热堆的经济性就会受到严重的挑战。

当前，热堆的主要问题是，只能利用包括裂变燃料235U和转换材料238U在内的铀资源中极少的一部分。必须采用行之有效的措施，从根本上消除目前热堆对铀资源的浪费，使包括238U在内的铀资源，能在核反应堆中得到充分利用。

快堆，以铀-钚燃料循环为基础，能使核燃料增殖，可以摆脱即将面临铀资源日益枯竭的困境。

在快堆中由于没有慢化剂，再加上堆内结构材料、冷却剂及各种裂变产物对快中子的吸收几率很小，因此中子由于被俘获造成的浪费少。此外，每个239Pu原子核裂变放出的中子多，238U原子核裂变的几率也大，所以平均每个原子核裂变所放出的中子，除了维持自身链式裂变反应外，还可以剩余1.2到1.3个中子，用来使238U转变为239Pu。因而在快堆内，只要添加238U，每烧掉一个239Pu原子核，除了放出大量裂变能外，还可以产生1.2到1.3个239Pu原子核。这就是说，在快堆内只要添加238U，核燃料就越烧越多，这种情况称为核燃料的增殖。

这是快堆与目前热堆的主要区别，也是快堆的主要优点。因此快堆又称增殖堆或快中子增殖反应堆。

由于快堆仅在启动时需要投入核燃料，所以它对核燃料价格的上涨，不如热堆那么敏感。理论上快堆可以将238U，235U及239Pu全部加以利用。但由于反复后处理时的燃料损失及在反应堆内变成其它核素，快堆只能利用70％以上的铀资源。即使如此，也是目前的热堆对核燃料的利用率的80倍。由于快堆对核燃料的涨价不如热堆那么敏感，因而含铀量低的铀矿也有开采的经济价值。而且目前浓缩铀工厂库存的贫铀，热堆中卸出的乏燃料，都可以成为快堆的“粮食”来源。由于快堆中能实现239Pu的增殖，如果我们通过后处理，将快堆增殖的核燃料不断提取出来，则快堆电站每过一段时间，它所得到的239Pu，还可以装备一座规模相同的快堆电站。这段时间，称为倍增时间。经过一段倍增时间，一座快堆会变成两座快堆，再经过一段倍增时间，这两座快堆就变成四座。按照目前的情况，快堆的倍增时间是三十多年。也就是说，只要有足够的238U，每过三十多年，快堆电站就可以翻一番。

快堆的功率密度大，又不允许冷却剂对中子产生强烈的慢化作用，这就要求热传输能力强、慢化作用小的冷却剂。目前采用的冷却剂主要有两种：液态金属钠和氦气。根据冷却剂的种类，可以将快堆分为钠冷快堆和气冷快堆。气冷快堆由于缺乏工业基础，而且高速气流引起的振动以及氦气泄漏后堆芯失冷时的问题较大，所以目前仅处于探索阶段。世界上现有的、正在建造的和计划建造的，都是钠冷快堆。

二、液态金属钠冷却剂的特点

钠的中子吸收截面小，比热容大。它的沸点高达886.6℃，所以在常压下可以有很高的工作温度，而且在工作温度下对很多钢种腐蚀性小，无毒。因此，钠是快堆的一种很好的冷却剂。但钠的熔点为97.8℃，在室温下是凝固的，所以要用外加热的方法将钠熔化。钠的缺点是化学性质活泼，易与氧和水发生化学反应。当蒸汽发生器传热管破漏时，管内的水与管外的钠相接触，会引起强烈的钠水反应。所以在使用钠时，要采取严格的防范措施，这比热堆中用水作为冷却剂时问题要复杂得多。

压水堆的出口水温约330℃，燃料元件包壳的最高温度约350℃；而快堆为了提高热效率并适应功率密度的提高，冷却剂的出口温度为500℃至600℃，燃料元件包壳的最高温度达650℃，比热堆包壳的温度高得多。很高的温度、很深的燃耗以及数量很大的快中子的强烈轰击，使快堆内的燃料芯块及包壳碰到的问题比热堆复杂得多。由于以上原因，虽然快堆早在20世纪40年代起步，只比热堆的出现晚四年，而且第一座实现核能发电的是快堆，但是现在还未发展到商用阶段。然而，通过一系列试验堆、示范堆和商用验证堆的建造，上述困难已基本克服，快堆技术现在已日臻完善，为大规模商用准备了条件。

三、浙江宇安消防D类干粉灭火剂

浙江宇安消防是一家D类干粉灭火产品研发制造的国家高新技术企业，与公安部天津消防研究所、公安部上海消防研究所建立了战略合作关系。2009年初，宇安研发成功灭金属镁、钛等D类Ⅰ型干粉灭火剂，当年10月研发成功灭三乙基铝、正丁基锂等D类Ⅲ型干粉灭火剂。2011年7月，经过三年攻关，宇安成功研发出灭金属钠、锂等D类Ⅱ型干粉灭火剂。

2016年6月7日，中国原子能科学研究院、中国实验快堆工程指挥部、钠工艺室项目负责人杜海鸥研究员来宇安考察，了解浙江宇安D类灭火剂在扑灭金属钠火方面的情况，宇安董事长、总工程师杨国建介绍金属钠灭火剂已研发成功和相关金属钠专用灭火剂的灭火原理等相关成果。

2016年6月22日，浙江宇安消防举行扑灭金属钠火的演示与数据采集。这次扑灭金属钠火演示与数据采集，是应国家十三五重点科研课题之所需，也是应中国实验快堆工程指挥部钠工艺室之要求。中国实验快堆工程指挥部钠工艺室原未亲见过钠火被扑灭的具体情况，他们原来试验是使用进口D类干粉的，灭火效果很不好，无法提供快堆使用。

这次演示、实验从当天15点30分开始各项准备，16点30分进行扑灭钠火小试，17点正式举行扑灭金属钠火。1分钟钠火扑灭，再对试样进行充分搅拌。17点17分扑灭金属钠火圆满成功！灭火剂使用量1:10，即灭即搅拌无复燃。这次浙江宇安把扑灭金属钠火进行全程录像，并为中国实验快堆工程指挥部钠工艺室提供视频资料供日后使用。

此后，根据《D类干粉灭火剂》（GA 979-2012）标准和实验，国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验中心于2017年11月7日签发了宇安D-Na干粉灭火剂合格《型式检验报告》，以及D-Mg与D--AI(C2H5)3干粉灭火剂合格《型式检验报告》。

2018年底，质量、技术、服务要求更高的D类干粉灭火剂“浙江制造”团体标准（T/ZZB 0787-2018）发布实施，2019年初，浙江宇安在业内率先提出了D类干粉灭火剂“浙江制造”的认证申请。经过资料审阅、专家评审、现场审核合格。2019年9月29日，认证机构签发了宇安D类Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型干粉灭火剂“浙江制造”认证证书。随后又授予认证品牌标识的样版。

  （顾一问 郑又理）