研究堆

研究堆是指主要用來作為中子源的核反應堆，也成為非動力反應堆。

基本介紹

• 中文名：研究堆
• 外文名：Research Reactor

裝置介紹

核反應堆是以鈾(或鈽)作核燃料實現受控核裂變鏈式反應的裝置。反應堆的結構、特性和運行的工況隨用途而異，按用途分大致可以分為研究堆、動力堆、生產堆和特殊用途堆等。

在60多年的核能科學與技術發展中，研究反應堆起著重要的作用。按IAEA的統計，世界上在69個國家建造了約670座研究反應堆（包括臨界和次臨界裝置），目前大約有240座裝置在55個國家運行，積累了13000堆年的運行經驗。研究堆在核科學和技術的發展中起著中國要作用。此外，也在培訓、教育和許多研究計畫中作出了明顯的貢獻。在2012年之前的5年內，有6個新的研究堆投入運行或達到臨界。有一些研究堆正在建造和計畫建造中，還有些項目正在立項中。

分類

研究堆數量很多，根據燃料形式、冷卻劑種類、中子能量分布形式、特殊的設計需要等因素，可分成各種不同的類型。

（1）研究堆的類型按中子通量的大小分為零功率堆、

（2）按中子產生的方式分為次臨界裝置、臨界裝置和脈衝堆。

（3）按漫化劑的不同分為重水堆、輕水堆、石墨堆等。

（4）按中子能譜分為熱中子堆和快中子堆。

（5）按燃料的形狀分為棒狀燃料堆、板狀燃料堆、圓形燃料元件堆、各種形狀的彌散體燃料堆和液體燃料堆。

（6）按堆的布置分為池式研究堆、罐式或殼式研究堆。

（7）按燃料的富集度分為高富集度鈾（HEU）堆和低富集度鈾（LEU）堆等。

（8）還可以按燃料的不同分為固體燃料堆、溶液堆和熔鹽堆等。

總之，研究堆的設計千姿百態，多種多樣。

特點和套用

每個研究堆都有特殊用途，研究堆的設計和運行都有鮮明的特殊性和用途的導向性。因此，研究堆的設計和運行管理往往比常規的核動力反應堆更複雜及多樣化，其臨界安全問題是研究堆的核心問題。總體上看，研究堆結構比動力堆簡單，一般也運行在低溫度下。由於研究堆裝載較少的燃料，堆功率一般比較小，因此潛在的放射性裂變產物總量比核動力反應堆少得多，一般研究堆發生堆芯嚴重損壞並造成放射性裂變產物大規模釋放的風險也比核動力反應堆小。

國產研究堆

我國從1958年開始建造研究堆，於1958年6月建成了第一座研究堆。到目前為止，我國現有在役民用，研究性核反應堆（包括臨界裝置和微堆）20座。

我國第一座研究性反應堆是重水試驗堆，於1958年6月13日首次達到臨界，該堆安全運行近50年後於2007年7月18日最終停運，轉入安全關閉過渡期。建成50多年以來，開展了大量卓有成效的科研生產工作，產出了一大批有顯示度的科研成果，培育和輸送了一批又一批優秀的人才，對於推進我國核科學技術和核工業的發展，特別是對核子彈、氫彈和核潛艇的技術攻關，起到了歷史性作用。

其後，在20世紀60~70年代建設了清華大學試驗禁止堆、492游泳池堆和125MW高通量工程試驗堆，並建立了快堆臨界裝置、鈾水臨界裝置。80年代末建成了5MW核供熱堆，2000年12月高溫氣冷堆（HTR-10）達到臨界。此外，還建造了幾座中子源微堆和兩座脈衝堆。2010年5月先進高通量研究堆（CARR）實現首次臨界，2012年3月1日達到滿功率。

重水型

重水堆可以使用天然鈾燃料，其熱中子通量分布均勻，單位功率熱中子通量較高，堆內實驗空間大，燃料壽命長，但作為慢化劑的重水昂貴，需放在密封水罐內，用高淳氦氣覆蓋水面，操作和檢修複雜。中國重水型研究堆是前蘇聯援建的，該堆於1958年6月在中國原子能院（當時叫原子能研究所）建成，是中國的第一座核反應堆。

游泳池型

游泳池式輕水反應堆是游泳池式、輕水慢化和冷卻、鈹和石墨作反射層的多用途試驗堆。在游泳池式輕水反應堆中利用垂直和水平輻照孔道，可開展燃料元件、堆用材料、核測儀表堆內輻照、試驗、考驗以及單晶矽、同位素輻照生產、黃玉輻照改色等工作。中國建造的游泳池式輕水研究堆有3座，分別在中國原子能科學研究院、北京昌平清華大學核能與新能源技術研究院和中國綿陽中國工程物理研究院等地。

高通量工程

高通量工程試驗堆是進行動力堆燃料元件和禁止材料輻照試驗等反應堆工程研究的反應堆，也可以用來生產放射性同位素。其熱中子通量和快中子通量高，比功率（單位質量核燃料所具有的功率）高，燃料元件運行周期短。高通量工程試驗堆一般採用多片組型或多層套管型高富集鈾燃料元件，以水為慢化劑。

中國核動力研究設計院於1981年建成了高通量工程試驗堆（HFETR），在該反應堆上進行了燃料組件輻照試驗，包括燃料芯件性能變化、燃料元件破損機理等，以及燃料包殼腐蝕、冷卻劑熱工條件和傳熱機理等試驗，並生產高比度放射性同位素和錒系元素。

脈衝堆

鈾-氫化鋯脈衝堆在科學研究方面具有廣泛的套用價值，是一種具有固有安全特性的中子源輻照反應堆。鈾-氫化鋯脈衝堆是一種小型均勻研究堆，採用氫化鋯與鈾均勻彌散混合作為固體燃料-慢化劑元件，採用輕水做冷卻劑，構成一種池式反應堆，簡稱TRIGA堆。由於它結構簡單，安全性和經濟性好，能獲得較強的功率脈衝和中子脈衝，因此在科學研究和套用技術上獲得了較為廣泛的重視。

我國第一座鈾-氫化鋯脈衝堆於1990年由中國核動力研究設計院設計研製建成。第二座鈾-氫化鋯脈衝堆是西安脈衝堆，它是在第一座原型脈衝堆基礎上，根據用戶對脈衝堆的套用要求進行設計建造的。該堆1996年1月18日在我國西北核技術研究所開工建造，1999年9月首次達到臨界，2001年1月，完成各項核調試工作後，已投入試運行及實驗套用。西安脈衝堆穩態額定功率2MW，最大脈衝峰功率4200MW。脈衝堆具有一堆多功能的獨特性能。

微型研究堆

微型研究堆是一種近年來發展起來的特小型中子源反應堆，它安全可靠，結構簡單，造價低，建設期短，易於操作和管理，可建在大城市的研究所、學校和醫院內。

1984年，中國原子能科學研究院建成中國首座微型堆，其燃料元件為直徑4.3mm的細長燃料棒，芯體為90%富集鈾的鈾鋁合金，包殼為鋁合金。堆芯鈾棒按同心圓布置，裝有345根燃料棒，其鈾-235裝載量為1kg，僅比最小臨界質量0.83kg稍大一點。該微堆以水為慢化劑和冷卻劑，堆芯懸掛於5.6m深、2.7m直徑的大水池中。

微型堆可用來進行中子活化分析及其他有關研究，還可以用來生產短壽命放射性同位素，以及治療腦膠質瘤等疾病。

目前，深圳大學、山東地質局和上海劑量中心各建有一座該類型的微型堆，並出口到巴基斯坦、伊朗、加納、敘利亞和奈及利亞等國。

先進研究堆

中國先進研究堆是由中國原子能科學研究院自主研發、設計和建造。反應堆功率60MW，熱中子通量8Χ10¹⁴個/（cm²·s），在同類中子束流研究堆中主要技術指標居世界前列。CARR是一座高性能、多用途、安全可靠的研究堆，採用了許多新的設計理念和技術。該研究堆可開展核物理與核化學等基礎科學研究、中子散射研究、反應堆材料及核燃料考驗、中子照射、中子活化分析等，並可生產放射性同位素和中子嬗變摻雜單晶矽。中國先進研究堆於2010年5月首次臨界，2012年3月1日成功實現滿功率運行。