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？
在核能家族中，快中子反应堆（Fast Neutron Reactor, FNR）因其独特的燃料增殖能力和处理核废料的潜力，一直备受关注。而铅铋（LeadBismuth Eutectic, LBE）作为一种先进的反应堆冷却剂，在快堆技术路线中扮演着重要角色。铅铋冷却快堆（LeadBismuth Cooled Fast Reactor, LBECFR）以其鲜明的特点，在众多堆型中独树一帜，但也伴随着不小的挑战。
铅铋冷却快堆的优势：
铅铋合金，通常是80%铅和20%铋的共晶合金，其独特的物理化学性质赋予了LBECFR一系列显著的优势：
优异的中子经济性与增殖能力： LBE对快中子吸收截面非常小，这意味着它不会像水那样显著慢化中子。这对于快堆至关重要，因为它依赖于快中子来驱动核燃料的增殖（将贫铀转化为可裂变材料）和“烧毁”长寿命核废料（如超铀元素）。通过精心设计，LBECFR能够实现较高的燃耗深度，并有潜力将天然铀的利用率从目前的约0.7%提高到接近100%。这意味着更少的铀矿开采，以及更少的核废料产生。
高沸点与低蒸汽压： LBE的沸点高达1670°C（在标准大气压下），远高于大多数先进反应堆冷却剂（如钠）的沸点。这一特性使得LBECFR能够在更高的温度下运行，从而提高热效率，将更多的热能转化为电能。同时，其极低的蒸汽压意味着即使在极端工况下发生泄漏，系统也不易发生闪蒸，降低了冷却剂丧失事故（LOCA）的严重性。相比之下，以钠为冷却剂的快堆，其低蒸汽压虽然也是优势，但LBE的优势更为突出。
良好的热学性能： 尽管LBE的导热性不如钠，但其热容量较大。在实际运行中，通过合理设计换热回路和循环泵，可以有效地将堆芯产生的热量导出。其出色的对流换热能力，尤其是在湍流状态下，能够满足大功率反应堆的热量导出需求。
对水和空气不敏感，安全性高： LBE与水和空气的反应非常不活泼。这意味着即使发生泄漏，LBE也不会像钠那样与水或空气剧烈反应，引起火灾或爆炸。这大大降低了因冷却剂与环境介质接触而引发的次生事故风险，提高了反应堆的固有安全性。
优秀的屏蔽能力： 铅和铋都具有较高的原子序数，能够有效衰减伽马射线和中子辐射。这使得LBE在作为冷却剂的同时，也能提供良好的辐射屏蔽效果，有助于减少堆芯的屏蔽层厚度，降低反应堆结构的复杂性和成本。
可作为核废料嬗变器： LBECFR的快中子谱非常适合处理核电站产生的长寿命核废料，特别是超铀元素。通过将其放入反应堆中进行辐照，可以将其转化为寿命更短或稳定的核素，从而大大减少核废料的毒性和长期储存风险。这对于解决核废料处置问题具有战略意义。
铅铋冷却快堆的劣势：
尽管LBECFR拥有诸多诱人的优势，但其研发和应用之路也并非坦途，主要存在以下劣势和挑战：
强腐蚀性： 这是LBECFR面临的最大技术挑战之一。LBE对结构材料，尤其是奥氏体不锈钢，在高温下具有很强的腐蚀性。这种腐蚀主要表现为“液态金属侵蚀”（Liquid Metal Embrittlement, LME）和“选择性浸蚀”（Selective Leaching）。
液态金属侵蚀（LME）： LBE中的某些组分（特别是铅）会渗入金属晶格，降低材料的延性，使其在应力作用下更容易发生脆性断裂。尤其是在高温和应力集中的区域，如焊缝和几何形状复杂的部位，腐蚀问题更为突出。
选择性浸蚀： LBE会选择性地从合金中浸蚀出某些元素，例如镍和铬。这会导致材料成分发生变化，降低其强度和耐腐蚀性，甚至改变其物理性质。
腐蚀产物： LBE在高温下会与结构材料发生一系列复杂的化学反应，产生各种腐蚀产物，如氧化物、金属间化合物等。这些腐蚀产物可能沉积在换热表面，降低传热效率；也可能在系统内循环，堵塞管道或损坏设备。
高密度和高熔点： LBE的密度比水和钠都大得多，其熔点也相对较高（约125°C）。
高密度： 这意味着更重的设备和更大的结构支撑需求，增加了反应堆厂房的设计和建造难度，同时也对泵的性能提出了更高要求。
高熔点： LBE在较低温度下就会凝固，这给反应堆的启动、停堆和维护带来了挑战。需要对管道和设备进行有效的保温和加热，以防止LBE凝固堵塞，尤其是在启动前和停堆后。
Xenon（Xe）诱导的腐蚀： LBE冷却剂在运行过程中会溶解一定量的氙（Xe）气。氙气会对LBE的腐蚀行为产生影响，可能加剧材料的腐蚀。此外，反应堆燃料芯块的裂变产物氙气会释放出来，进入冷却剂，其在LBE中的行为和影响需要深入研究。
氦（He）气诱导的腐蚀： 堆芯燃料包壳上的某些涂层或材料在高温下会释放出氦气。这些氦气溶解在LBE中，也可能与LBE发生化学反应，影响其腐蚀性能。
冷却剂净化与监测： LBE系统中会产生多种杂质，如氧化物、氮化物、氢化物以及由腐蚀产生的金属离子等。这些杂质需要通过冷却剂净化系统及时清除，以维持LBE的化学稳定性，并减少对结构材料的腐蚀。同时，对LBE系统中杂质的精确监测也是一个复杂的问题。
放射化产物的管理： LBE在快中子辐照下会发生放射化反应，产生多种放射性同位素，如钋（Po）。钋210是主要的放射性核素，它是一种强α发射体，并且具有较高的蒸气压，容易挥发。这给系统的维护、操作和人员防护带来了严峻的挑战。需要采取有效的措施来控制钋的产生和挥发，以及处理含有钋的LBE。
高昂的研发与建造成本： 由于LBECFR技术相对较新，其研发周期长，需要投入大量资金用于材料研发、实验验证和关键设备的设计制造。同时，由于对设备和工艺的要求极高，建设成本也相对较高。
研发设计的难点：
综合以上优劣势，LBECFR的研发设计难点主要集中在以下几个方面：
1. 耐高温、耐腐蚀材料的开发与应用：
材料筛选与开发： 需要开发能够长期耐受高温、强腐蚀性LBE环境的结构材料，例如特种不锈钢、镍基合金、陶瓷材料以及复合材料等。这不仅要求材料本身具有优异的抗腐蚀性能，还要保证其在反应堆运行温度和辐照条件下的机械性能稳定。
腐蚀评估与寿命预测： 需要建立准确的腐蚀模型，能够预测材料在不同工况下的腐蚀速率和寿命。这需要大量的实验数据支撑，并且模型要能够考虑到温度、流速、LBE化学组分（氧、氢、杂质含量）以及辐照等多种因素的影响。
焊缝与连接件的设计： 焊缝区域通常是腐蚀的薄弱环节。需要研发能够抵抗LBE腐蚀的焊接工艺和焊材，并对焊缝进行特殊处理，以提高其抗腐蚀能力。
2. 高效的冷却剂净化与杂质控制技术：
杂质去除技术： 开发高效可靠的冷却剂净化技术，能够去除LBE中的氧化物、氮化物、氢化物以及溶解的金属离子。例如，采用过滤器、氧化还原控制、化学吸附等方法。
杂质监测技术： 研发高精度、在线的LBE杂质监测技术，能够实时准确地测量LBE中的关键杂质含量，以便及时调整净化系统和采取相应措施。
3. 钋（Po）的控制与管理：
钋生成机理研究： 深入研究钋在LBE中的生成机理，了解其与燃料、结构材料的相互作用。
钋去除与钝化技术： 开发有效的钋去除或钝化技术，例如通过化学吸附、金属捕集或改变LBE化学环境来降低钋的挥发性和毒性。
防护与监测： 设计能够有效屏蔽钋α粒子的防护措施，并建立灵敏的钋放射性监测系统，确保操作人员的安全。
4. 设备的设计与可靠性：
泵的设计： 考虑到LBE的高密度和腐蚀性，需要设计专门的、耐腐蚀且高效的屏蔽电磁泵或离心泵，并要确保其在高温、含杂质环境下的长期可靠运行。
热交换器设计： 需要设计能够高效传热且耐腐蚀的热交换器，并要考虑杂质沉积对传热的影响。
管道与阀门设计： 管道和阀门的设计需要充分考虑LBE的流动特性、腐蚀以及高温下的热膨胀问题。
5. 系统集成与安全设计：
反应堆物理与热工水力设计： 优化堆芯设计，确保良好的中子经济性、功率分布和传热性能。
失步、失电等事故分析： 严格进行各种事故场景下的安全分析，确保反应堆在极端情况下仍能保持安全。
在线监测与诊断： 建立全面、可靠的在线监测与诊断系统，能够及时发现异常并进行预警。
总而言之，铅铋冷却快堆是一项具有巨大潜力但技术挑战也十分严峻的先进核能技术。它有望在解决能源短缺和核废料处置问题上发挥重要作用。然而，要实现其商业化应用，还需要在材料科学、化学工程、核工程等多个领域取得关键性的突破，并克服一系列工程上的难题。目前，许多国家仍在积极开展LBECFR的研究与示范项目，以期最终将这种“双刃剑”转化为安全、经济、清洁的核能利器。
网友意见
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：
- 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。
- 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。
优点：
1.中子能谱比钠冷快堆更硬
2.铅铋合金化学性质较稳定，不跟钠一样与空气剧烈反应燃烧
3.铅铋冷却剂仅靠自然循环的冷却能力也很强。
缺点：
1.铅铋合金密度太大，太重，控制棒上面插进去甚至有可能浮出来。
2.铅铋合金对材料侵蚀能力很强。对结构材料抗蚀性能要求高，目前没有完全解决。
3.铋元素储量太tm少了，不够全球造几个堆的。。。。所以铅铋只是个过渡，大规模应用只能是铅冷。
以上仅凭记忆回答，欢迎指正。
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