在燃鈾熱中子反應(yīng)堆中，所耗掉的大部分為鈾一235，只有一小部分是鈾一238。一般而言，在反應(yīng)堆中被耗掉的不到最初用于制造燃料的天然鈾重量的百分之一。然而，如果鈾一238的原子核轉(zhuǎn)換成钚，它就能提供和鈾一235原子核一樣多的能量。甚至在最初的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中，工程師和物理學(xué)家就關(guān)注過(guò)更好地利用被認(rèn)為資源有限的原材料。這個(gè)目標(biāo)可以在快中子反應(yīng)堆中得以實(shí)現(xiàn)。

    在這種反應(yīng)堆中，目標(biāo)是激勵(lì)鈾一238俘獲中子。矛盾的是，因降低鈾一238份額(相對(duì)慢中子反應(yīng)堆所含分額而言)

將使該目標(biāo)受到影響。這種降低是必須的，因?yàn)橐S持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，就要求易裂變材料的濃縮度更高：在“超鳳凰”(Super—phenix)反應(yīng)堆堆芯的活性區(qū)內(nèi)，約15％氧化钚，對(duì)應(yīng)85％氧化鈾(鈾一238)。在這種情況下，低濃縮燃料所要求的中子慢

化劑已不再需要，相反，為促進(jìn)鈾一238俘獲中子并轉(zhuǎn)換為钚，必須避免中子的慢化。為促進(jìn)俘獲和轉(zhuǎn)換為钚，發(fā)生裂變的中央堆芯用鈾一  238轉(zhuǎn)換層包圍起來(lái)，以便能夠吸收逸出堆芯的中子。這種反應(yīng)堆的依靠高能中子運(yùn)行，中子速度比慢中子反應(yīng)堆迅速。這就是把它們稱為快中子堆的緣故。由于鈾一238可以轉(zhuǎn)換為钚，所以還把它們稱為增殖堆。

    人們稱之為“增殖堆”的另一意義是，它能用鈾一238生產(chǎn)钚。每次钚一239原子核裂變，可放出三個(gè)中子。其中一個(gè)中子去分裂另一個(gè)钚原子核，以維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。第二個(gè)中子被鈾一238俘獲，取代起初被耗掉的钚原子核，從而使反應(yīng)堆增殖新的钚。盡管第三個(gè)中子有時(shí)被結(jié)構(gòu)材料俘獲而損失，但偶爾也被第二個(gè)鈾一238核所吸收，這樣，產(chǎn)生的钚比耗掉的就略有增加，即獲得增殖增益。

    對(duì)快中子的需求，立即會(huì)得出如何對(duì)快堆冷卻劑的選擇時(shí)：輕水、重水和有機(jī)流體都不適用。盡管氦冷增殖堆的設(shè)計(jì)已有方案，但還沒有一個(gè)付諸建造。目前投入運(yùn)行的所有快中子增殖堆均用液態(tài)金屬鈉作為冷卻劑。鈉的選用出于其熱性能的考慮：它在96℃時(shí)溶化，常壓下約900度時(shí)沸騰，不侵蝕鋼材，是良好的熱導(dǎo)體。因此，只要有足以保證循環(huán)的壓力，就可在500℃時(shí)利用鈉。這種突出優(yōu)點(diǎn)是其它堆型所不具有的。但是，鈉與水發(fā)生反應(yīng)可以產(chǎn)生氫及碳酸鈉，并在空氣中有可燃性。對(duì)此，必須采取特殊的設(shè)計(jì)預(yù)防措施。

    雖然鈉在流經(jīng)堆芯時(shí)只吸收少量中子，但仍具有很強(qiáng)的放射性，要求消除鈉一水反應(yīng)的所有風(fēng)險(xiǎn)，這種反應(yīng)所形成的產(chǎn)物還能損壞燃料。為此，所有快中子增殖堆都設(shè)有一回路鈉系統(tǒng)，由它帶出堆芯熱量，傳輸給同樣充滿鈉的二回路系統(tǒng)。這樣，即使發(fā)生二回路系統(tǒng)向一回路系統(tǒng)的泄漏(由于相對(duì)壓力，不可能發(fā)生反向泄漏，也不致于發(fā)生兩種流體間的化學(xué)反應(yīng)。

    這些系統(tǒng)有兩種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。第一種與壓水堆傳熱系統(tǒng)很相似。冷卻劑環(huán)路連接到包含堆芯的充鈉反應(yīng)堆容器上。每一條環(huán)路都設(shè)一臺(tái)泵和一臺(tái)向二回路鈉系統(tǒng)傳輸熱量的熱交換器。二回路鈉系統(tǒng)延伸到安全殼結(jié)構(gòu)之外，為加熱沸騰蒸汽發(fā)生器中的水提供熱量。

這種結(jié)構(gòu)已被許多國(guó)家所采用。在美國(guó)，有三座現(xiàn)已停運(yùn)的反應(yīng)堆，即位于阿科(Arco)的EBR一1，底特律附近的恩利科·費(fèi)米堆(EnricoFermi)和費(fèi)耶特維爾(Fayetteville)的西南氧化物燃料實(shí)驗(yàn)快堆(Sefor)。還有1980年在漢福特運(yùn)行的快通量試驗(yàn)裝置(FFTF)及已放棄的克林奇河(ClinchRiver)項(xiàng)目。在蘇聯(lián)，有位于奧布寧斯克的BR5，麥列凱斯的BOR60，謝夫契柯(Shevchenko)的BN350。在英國(guó)，有位于唐瑞(Dounreay)的唐瑞快堆。在德國(guó)，有緊湊式卡爾斯魯厄鈉冷卻裝置試驗(yàn)堆和不久將試運(yùn)行的SNR300堆。在日本，有近期開建的文殊(Monju)反應(yīng)堆項(xiàng)目。在法國(guó)，有首座快中子增殖堆“狂想曲"(Rapsodie，又譯拉普索迪)。

圖：法國(guó)“超鳳凰”堆廠房：這個(gè)1200兆瓦的快中于增殖堆位于羅納河(Rhon River)畔的克霄斯馬維爾(CreysMalville)?；炷练磻?yīng)堆廠房作臨時(shí)開孔，用于運(yùn)入主要設(shè)備：主容器和安全容器、燃料貯存容器、頂蓋平板、內(nèi)部安全殼穹頂。圖中前方所看到的金屬穹頂將被置于頂蓋平板上。

另一種結(jié)構(gòu)為池式反應(yīng)堆設(shè)計(jì)；一個(gè)大型反應(yīng)堆容器包容著堆芯、主泵和中間鈉一鈉熱交換器。在這種類型的反應(yīng)堆中，如法國(guó)的“鳳凰”(Phenix)和“超鳳凰”堆，一回路鈉不離開反應(yīng)堆容器，它從底部由主泵唧送穿過(guò)燃料組件，在545℃時(shí)從頂部流出，然后被導(dǎo)人中間熱交換器。在“超鳳凰”堆的設(shè)計(jì)中，四臺(tái)主泵中的每一臺(tái)都相應(yīng)裝有兩臺(tái)熱交換器。所有這些設(shè)備均被懸掛在反應(yīng)堆頂蓋上，即3米厚的鋼和混凝土平板上。反應(yīng)堆容器本身為直徑22米、高10米的不銹鋼結(jié)構(gòu)，被包圍在壁厚為35—50毫米的二次安全容器中。反應(yīng)堆頂蓋被鋼制穹頂覆蓋，整個(gè)組件置于混凝土安全殼結(jié)構(gòu)之內(nèi)。

圖：快中子增殖堆：剖面圖。

二回路鈉或稱中間鈉，在反應(yīng)堆容器內(nèi)的熱交換器中被加熱，由安裝在安全殼內(nèi)的四臺(tái)二回路泵使之循環(huán)，流經(jīng)管道，進(jìn)入毗鄰安全殼的四個(gè)建筑物中的蒸汽發(fā)生器。蒸汽發(fā)生器由螺旋管構(gòu)成，管內(nèi)載有來(lái)自發(fā)電系統(tǒng)的水，管壁浸沒在來(lái)自中間系統(tǒng)的鈉中。此處是電廠中唯一由單層壁隔開鈉和水的地方。為此，應(yīng)用了縱深防御原則。首先是監(jiān)測(cè)，即對(duì)熱交換器中鈉的氮?dú)飧采w層樣品連續(xù)進(jìn)行含氫量分析。其次是事故響應(yīng)，假如探測(cè)到泄漏，水系統(tǒng)可被隔離修復(fù)；若漏量很大，如管子斷裂，則可通過(guò)操縱員手動(dòng)或通過(guò)增加鈉系統(tǒng)壓力的方式自動(dòng)將鈉迅速排出。鈉／氧化鈉／蒸汽／氫混合物在沉降箱中沉積之后，氫可以被惰性氣流夾帶，并在過(guò)濾掉氧化鈉煙霧之后被導(dǎo)人燃燒室燃燒。蘇聯(lián)的謝夫契柯反應(yīng)堆，于1973年發(fā)生了嚴(yán)重事故，導(dǎo)致電廠長(zhǎng)期停運(yùn)。1982年“鳳凰”(Phenix)堆發(fā)生了輕度事故，需要修理有關(guān)的設(shè)備。

與回路式結(jié)構(gòu)相比，池式結(jié)構(gòu)似乎更適合于較高功率容量。它已被法國(guó)采納用于233兆瓦的“鳳凰”電廠，克雷斯馬維爾(Creys-Malville)的1200兆瓦“超鳳凰"(Superphenix)堆，以及計(jì)劃中的1500’兆瓦后續(xù)項(xiàng)目。采用池式結(jié)構(gòu)的還有：英國(guó)254兆瓦的唐瑞(Dounreay)原型快中子反應(yīng)堆(PFR)，日本的小型常陽(yáng)(Joyo)堆，蘇聯(lián)550兆瓦的別洛雅爾斯克(Be1oyarsk)堆。

圖：法國(guó)“鳳凰”反應(yīng)堆的頂板：這是位于馬庫(kù)爾（Marcoule）的233兆瓦快中子增殖堆。即使在反應(yīng)堆運(yùn)行期間，依然可以接近混凝頂蓋板。背景所示為穿過(guò)頂蓋板垂直移動(dòng)燃料組件的裝卸設(shè)備。