科普向：什么是金属冷却反应堆？
最近，一条新闻在网上热传，引来了无数注意。
2019年10月9日上午11:05分，随着控制棒缓缓升起，我国首座铅铋合金零功率反应堆——启明星Ⅲ号，在中核集团中国原子能科学研究院实现首次临界，并正式启动我国铅铋堆芯核特性物理实验，这标志着我国在铅铋快堆领域的研发跨出实质性一步，进入工程化阶段。同时也意味着我国在铅铋快堆研发领域已跻身国际前列。
那么，这种神秘的“铅铋快堆”到底是什么一种反应堆呢？现在由本人为大家讲解一下。
首先，我们要知道，铅铋快堆实际上是金属冷却反应堆的一种。早在上世纪50年代，美苏都起步了金属冷却反应堆的研发工作。金属和水不同在于，金属对中子的吸收率普遍不如水，故金属反应堆大部分都属于快堆。而且，由于液态金属（如钠钾合金，铅铋合金）沸点（沸点可达700摄氏度以上）远高于压水堆的水（沸点不超过400度），因此相同体积的液态金属可传出的热能远高于水，因此液态金属堆的体积可以非常小。同时，由于金属堆对中子的吸收较少，可以作为快中子增殖反应堆使用，可以将压水堆无法使用的U238和核废料转化成PU239继续裂变，因此对天然铀（U238百分比接近99%，U235仅0.7%）的利用率可达60%，比仅使用U235的压水堆资源利用率提升了100倍，同时产生的长寿命核辐射废料（主要是锕系元素）的数量也远小于压水堆，有效地保护了环境，节约了资源。
但是，快中子堆自从诞生起就有很多麻烦。其中最大的问题就是液态金属根据“相似相溶”原理，对金属管道有很强的腐蚀性，其次就是冷却剂的问题，如钠冷快堆的金属钠遇上空气和水容易爆炸自燃，金属铅毒性大且铋容易吸收中子嬗变形成辐射强的元素等。现在让我分别介绍两种反应堆。
钠冷反应堆研发较早，美苏在60年代分别建设了“海狼”号核潜艇和645型核潜艇来测试钠冷反应堆，但两艘潜艇的命运都很悲惨，645型核潜艇1965年服役，但是仅过了3年就因为不断泄漏起火的反应堆而被迫封存于港口，1979年1月1日，645型K-27退役，潜艇的反应堆舱在北德文斯克的第893“星”船厂被灌满了由沥青和糠醛组成的特殊凝固混合物，随后被拖到喀拉海的一个特殊训练海区并于1982年9月6日凿沉。沉没点的具体坐标是72°31'N 55°30'E，即新地岛东北海岸的斯捷布韦湾（Stepovoy Bay），那里的水深只有33米，远低于国际原子能组织水深不低于3000-4000米的标准，美国海狼号的结局也是差不多的，主要都是因为钠冷堆的不断泄漏起火而退役。
用钠冷反应堆发电也有一些尝试。从1960到现在，各国分别兴建了若干钠冷反应堆，如法国的凤凰反应堆，苏联的BN-350/600/800反应堆，日本的“文殊”反应堆以及中国的中国验证快堆和建设中的中国示范快堆。
如前文所述，钠冷反应堆从诞生之日就饱受冷却剂泄漏和自燃的痛苦。60年来，美，法，日的全部钠冷反应堆都因为不断的冷却剂泄漏事故而最终报废，只有苏联的BN系列反应堆成功运营至今，比较有代表性的就是1980年运转至今的BN-600反应堆，和他的后继者BN-800反应堆。尽管BN-600也几乎每年都有小型事故，但是一直没有严重损害，最终一直平稳运行至今，国内正在筹建的中国示范快堆，据说就是引进了BN-600的技术，预计2025年前服役。
铅冷快堆虽然是第四代反应堆，但他并不是一种全新的东西。早在上世纪70年代，苏联的705型核潜艇（北约代号A级，是世界上仅有的几种钛合金潜艇之一）就已经成功采用了这种反应堆。
和钠冷快堆不同在于，铅铋合金不会遇水和遇上空气而爆炸，因此安全些略微高于钠冷快堆。但是铅铋合金也有一些自己的问题。
第一，铅铋合金密度极高，超过每立方米12吨，是同体积水的12倍以上，因此就算是体积很小，它的总重量也非常大，对管道的压力也很大；
第二，铅铋合金的熔点随合金成分不同，在100摄氏度到300摄氏度徘徊，因此常温下是固体，必须需要加热才能使用，而且一旦泄露，铅铋合金就会立即像熔岩一样凝固成固体，苏联705型核潜艇首舰K-64就是在服役前发生了泄漏事故，被迫未经服役直接报废。
第三，铋会吸收中子形成剧毒的钋210，反应方程式：209Bi（n，γ）210Bi（β−）210Po，而钋210不仅是一种强烈的辐射物质，又是一种剧毒物质，在2006年著名的利特维年科事件（此人为退役俄罗斯特工，加入英国国籍并定居英国，后来被人投毒致死，迄今欧洲仍用这件事指责俄罗斯）中，此人就是被投放钋210致死。因此考虑到铅铋快堆的冷却剂数量巨大，一旦泄露或者反应堆服役寿命届满拆除时，就会产生严重的钋210污染问题，同时铅也是一种有毒金属，尤其是泄漏时产生的铅蒸汽。
因此，受制于这些原因，铅冷快堆在苏联705型核潜艇（该潜艇并未像《猎杀红十月号》中那样活跃于深海，而是受制于故障不断的反应堆而被迫留在苏联近海）退役之后，很长一段时间无人提及。一直到2016年，中国第一台ADS铅冷反应堆“启明星II号”才把人的视野带回这款被冷落已久的铅铋反应堆。
启明星II号是一款铅铋冷却的ADS反应堆零功率装置。所谓的ADS反应堆，是指加速器驱动的反应堆，是为了科研和教学使用的一种小型反应堆。反应堆内不使用高浓度浓缩铀，其中子来源也不是插入的中子源（如启动反应堆和核弹头常用的铍反射棒），而是外部加速器输入的高能粒子。而“零功率设备”，意味着该设备并不是作为发电而设计的，功率几乎为零，只够驱动反应堆内部回路的冷却液运转，因此是科研验证设备。因此，启明星II号的特点是：当且仅当外界的高能中子进入堆芯时，反应堆才可以发生核裂变反应（但不是自我维持的链式反应），这样一来，由于入射的中子流能量是可以计算和控制的，因此测量他进入反应堆后产生的裂变能，就可以方便的计算出中子量和裂变能的模型，有利于后期技术开发和测试不同的燃料棒。因此，得益于这款技术，国内今年投入使用的“启明星III号”才会建成。
启明星III号就比启明星II号更加接近实际的铅铋反应堆。从名称上，启明星III号不再是“ADS”反应堆，这意味着它不再依赖外界射入的中子才能启动，而是可以通过正常的核反应堆一样通过内置的中子源启动。不过，作为零功率设备，它建设目的仍然是验证反应堆的设计，而不是直接用来发电的。根据计划，2025年国内将建成第一个小型铅铋示范反应堆，比600兆瓦的钠冷中国示范快堆要晚两年建成。这意味着，中国的快堆仍然采用了稳妥的“两条腿走路”，既不放弃技术成熟度较高的钠冷反应堆，又同时研发铅铋冷却反应堆，很有可能采用“大功率商用钠冷发电反应堆”+“小型模块化铅铋反应堆”的模式，避免二者之间出现恶性竞争。
