核能系统堆型中，铅铋冷却快堆的优缺点各是什么，它的研发设计难点是什么？ 第1页

知友 @老三 的回答已经很全面了，我就拾人牙慧，补充一下：

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先说铅铋冷却快堆的优点：

采用铅基材料（铅、铅铋或铅锂合金等）作为反应堆冷却剂，能使反应堆的物理特性和安全运行具有三大显著优势：

第一，中子经济性优良，发展可持续性好。因此铅基反应堆可设计成较硬的中子能谱而获得优良的中子经济性，可利用更多富余中子实现核废料嬗变和核燃料增殖等多种功能，也可设计成长寿命堆芯，不仅能提高资源利用率和经济性，也有利于预防核扩散。

第二，热工特性优良，化学稳定性高，安全性好。铅基材料具有高热导率、低熔点、高沸点等特性，使反应堆可在常压下运行，同时实现高的功率密度。铅基材料的高密度也使得反应堆在严重事故下不易发生再临界；较高的热膨胀率和较低的运动粘度系数确保反应堆有足够的自然循环能力；铅基材料的化学性质不活泼，几乎不与水和空气反应，无剧烈化学反应，也几乎消除了氢气产生的可能；铅基材料还与易挥发放射性核素碘和铯形成化合物，可降低反应堆放射性源项。

第三，技术成熟，应用潜力广。铅基反应堆已经具有近百堆年的运行经验，技术较为成熟；铅基反应堆不仅能够应用于临界核能系统，也是次临界核能系统的主选堆型，特别是在ADS系统中，铅作为最常用的散裂靶材料，能与ADS系统实现很好的耦合；由于堆芯的高功率密度等特性，铅基反应堆可实现小型紧凑化，易于在海岛、海洋动力等不同环境中应用。

通过和目前常用的反应堆冷却剂对比，可以更直观地体现铅基材料作为冷却剂的优势：

1. 铅与水相比，具有中子吸收截面小、沸点高、热导率高等特点。铅的吸收截面比水小，慢化能力更是远小于水，所以铅一般用作快堆的冷却剂；铅的沸点高，可以消除由于冷却剂沸腾导致的堆芯裸露问题，有效降低发生堆芯熔化事故的可能性；同时还可以将反应堆设计成常压系统，避免高压系统带来的安全性和复杂性问题；铅的导热率高，可以有效提高反应堆的热传输效率，可以使热传输系统和换热器设计得更加紧凑，提高反应堆的安全性。
2. 铅和钠相比，化学活性低，沸点更高，热膨胀性能更好。铅与水和空气不发生剧烈反应，不会像钠冷快堆那样发生钠火事故；铅的沸点高，也避免了像钠冷快堆那样引入正的空泡反应；铅的热膨胀性能好，一回路自然循环能力强，具有更好的非能动安全特性。

将常用的铅基材料——铅和铅铋（铅锂材料主要用在聚变系统中，锂和中子反应产生氚，可用铅锂合金作为聚变的氚增殖剂和冷却剂，在这里就不参与对比了）进行横向对比，采用铅铋共晶体（LBE）作为冷却剂的优势在于：铅铋合金的熔点比铅低了200℃，因为反应堆运行温度必须要高于冷却剂熔点，所以相比于铅堆，铅铋堆可以在较低的温度下运行。虽然更高的运行温度一定程度上意味着更高的发电效率，但对堆内设备和高温结构材料可靠性的要求也更高了，这就决定了铅铋快堆在目前比铅冷快堆具有更强的工程可行性。

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虽然铅基材料作为反应堆冷却剂具有显著优势，但是也存在一些缺点：

第一，腐蚀问题。Fe、Cr和Ni等钢材料会溶解于铅或铅铋合金中，使得反应堆的结构材料和机械泵叶片遭受严重的腐蚀。腐蚀作用还会产生氧化物杂质，这些杂质可能会堵塞冷却剂通道，引发堵流事故。此外，Fe、Cr、Ni在铅中的溶解率小于铋，因此采用铅铋冷却剂的腐蚀性会更大一点。腐蚀问题，苏联和美国在20世纪50年代开始研究用于潜艇驱动的铅铋反应堆时就发现了，美国人没能解决这个问题，于是在20世纪60年代停止了铅铋快堆的研究计划；而苏联人通过大量的工程实践，通过控制冷却剂中的氧浓度能使钢材表面形成一层致密的氧化膜，有效缓解了铅铋冷却剂的腐蚀问题。

第二，Po-210问题。铅铋合金经过中子辐照，会产生Po-210。Po-210是一种剧毒物质，具有挥发性和放射性，半衰期138天，极大地增加了铅基反应堆的运行和维修难度。对比铅和铅铋共晶体这两种材料：铅在中子辐照下产生的放射性剧毒物质Po-210比铅铋合金产生的小2-3个量级，大大降低了反应堆运行和维护的难度。

第三，在较低的温度下，液态铅会发生凝固作用，铅的凝固和熔化过程产生的收缩和膨胀作用将会对堆内部件和燃料棒包壳造成一定的损坏。钠冷快堆也面临这样的问题，但是相对较容易解决。目前常通过设置辅助加热系统等方式来保证液态金属反应堆在换料和停堆时冷却剂处于液态，通过采用长寿命堆芯的方式来减少甚至取消换料和停堆操作。

将铅和铅铋进行横向对比：铅的沸点最高，这就意味着铅冷快堆能够在更高的温度条件下运行，具有更高的发电效率；高熔点还容易在设备发生小泄漏时形成自封，阻止铅的继续泄漏；铅与铅铋合金相比，Po-210的产生率更低，腐蚀效应更小，价格也更便宜。铅在中子辐照下产生的放射性剧毒物质Po-210比铅铋合金产生的小2-3个量级，大大降低了反应堆运行和维护的难度。Fe、Cr、Ni在铅中的溶解率小于铋；铅的价格为1.2万元/吨，铋的价格为10万元/吨，铅冷快堆的建造成本明显低于铅铋快堆的成本。

此外，还值得一提的是，因为目前中国的铅铋堆研究主要集中在小型堆领域（以下都是针对MW级小型核电源系统而言），比如FDS的车载铅铋堆核电源“核电宝”。尽管铅基冷却剂的高导热率决定了铅基快堆的功率密度可以做得很高、堆芯体积可以做得小一点，但却需要三个回路（冷却剂回路，气体工质做工，最终冷却回路）和额外的冷却剂保温设备，所以在小型堆领域，铅基冷却快堆相抵与气冷快堆（只要两个回路）而言没有那么大的优势；并且非能动自然循环的优势在小堆上也很难发挥出来。