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快堆采用钚或高濃鈾作燃料，一般用液態金屬鈉作冷卻劑，不用慢化劑。快堆裝入足夠的核燃料后，由于維持鏈式裂變反應后剩余的中子多，所以只要添加238U，由238U轉化成的239Pu，除能滿足鏈式裂變反應的繼續消耗外，還有較多剩余。熱中子堆核電廠是消耗核燃料生產電能的工廠，快堆核電廠則是可以同時生產核燃料和電能的工廠。快堆是當前反應堆發展的方向，將逐漸在各種類型的核反應堆中占主導地位。

由于熱中子引起核燃料裂變的幾率大，因而熱中子堆只需較少的核燃料就可以實現鏈式裂變反應。特別是當用重水和石墨慢化時，可以使用天然鈾作核燃料。在缺乏濃縮鈾能力的核工業發展初期，這是一個優點。熱堆較易控制，需要的核燃料少，還可以用天然鈾作為核燃料，所以較易建造，發展得最早。

在熱堆中，熱中子除泄漏和被俘獲外，一部分使235U裂變，另一部分被238U吸收，使之轉化為239Pu。239Pu繼續吸收熱中子也可以裂變，而且還有極少一部分238U，能被尚未來得及慢化的快中子擊中而裂變。所以，熱堆既可以利用235U做核燃料，也可以利用238U實現核燃料的轉化。

如果我們將反應堆中“燒”過的燃料元件中剩余的235U及239Pu，在后處理中提取出來，制成新的燃料元件放入反應堆，如此反復多次，則可以使更多的235U和238U通過裂變或轉化得到利用。但由于后處理投資大、費用高等原因，目前還主要是采用“一次通過”的方式。燃料元件在反應堆內“通過”后，就存放在反應堆旁的貯存水池內，以備將來后處理之用。由于“燒”過的燃料元件沒有后處理，目前的熱中子動力堆對鈾的利用率低于1％。由于熱堆只能利用鈾中很少的一部分，所以目前已探明的鈾儲量中，只有那些含鈾量超過萬分之幾、開采方便的鈾礦才有經濟價值。目前陸地上已探明的經濟可采鈾儲量大約是五百多萬噸。盡管熱中子反應堆目前是一種安全、清潔、經濟的工業能源，但到本世紀中葉，可以經濟開采的鈾資源枯竭時，熱堆的經濟性就會受到嚴重的挑戰。

當前，熱堆的主要問題是，只能利用包括裂變燃料235U和轉換材料238U在內的鈾資源中極少的一部分。必須采用行之有效的措施，從根本上消除目前熱堆對鈾資源的浪費，使包括238U在內的鈾資源，能在核反應堆中得到充分利用。只有采用能使核燃料增殖的，以鈾-钚燃料循環為基礎的快堆，才能擺脫即將面臨的鈾資源日益枯竭的困境。

在快堆中由于沒有慢化劑，再加上堆內結構材料、冷卻劑及各種裂變產物對快中子的吸收幾率很小，因此中子由于被俘獲造成的浪費少。此外，每個239Pu原子核裂變放出的中子多，238U原子核裂變的幾率也大，所以平均每個原子核裂變所放出的中子，除了維持自身鏈式裂變反應外，還可以剩余1.2到1.3個中子，用來使238U轉變為239Pu。因而在快堆內，只要添加238U，每燒掉一個239Pu原子核，除了放出大量裂變能外，還可以產生1.2到1.3個239Pu原子核。這就是說，在快堆內只要添加238U，核燃料就越燒越多，這種情況稱為核燃料的增殖。這是快堆與目前熱堆的主要區別，也是快堆的主要優點。因此快堆又稱增殖堆或快中子增殖反應堆。

由于快堆僅在啟動時需要投入核燃料，所以它對核燃料價格的上漲，不如熱堆那么敏感。理論上快堆可以將238U，235U及239Pu全部加以利用。但由于反復后處理時的燃料損失及在反應堆內變成其它核素，快堆只能利用70％以上的鈾資源。即使如此，也是目前的熱堆對核燃料的利用率的80倍。由于快堆對核燃料的漲價不如熱堆那么敏感，因而含鈾量低的鈾礦也有開采的經濟價值。而且目前濃縮鈾工廠庫存的貧鈾，熱堆中卸出的乏燃料，都可以成為快堆的“糧食”來源。由于快堆中能實現239Pu的增殖，如果我們通過后處理，將快堆增殖的核燃料不斷提取出來，則快堆電站每過一段時間，它所得到的239Pu，還可以裝備一座規模相同的快堆電站。這段時間，稱為倍增時間。經過一段倍增時間，一座快堆會變成兩座快堆，再經過一段倍增時間，這兩座快堆就變成四座。按照目前的情況，快堆的倍增時間是三十多年。也就是說，只要有足夠的238U，每過三十多年，快堆電站就可以翻一番。

快堆的功率密度大，又不允許冷卻劑對中子產生強烈的慢化作用，這就要求熱傳輸能力強、慢化作用小的冷卻劑。目前采用的冷卻劑主要有兩種：液態金屬鈉和氦氣。根據冷卻劑的種類，可以將快堆分為鈉冷快堆和氣冷快堆。氣冷快堆由于缺乏工業基礎，而且高速氣流引起的振動以及氦氣泄漏后堆芯失冷時的問題較大，所以目前僅處于探索階段。世界上現有的、正在建造的和計劃建造的，都是鈉冷快堆。

鈉的中子吸收截面小，比熱容大。它的沸點高達886.6℃，所以在常壓下可以有很高的工作溫度，而且在工作溫度下對很多鋼種腐蝕性小，無毒。因此鈉是快堆的一種很好的冷卻劑。但鈉的熔點為97.8℃，在室溫下是凝固的，所以要用外加熱的方法將鈉熔化。鈉的缺點是化學性質活潑，易與氧和水發生化學反應。當蒸汽發生器傳熱管破漏時，管內的水與管外的鈉相接觸，會引起強烈的鈉水反應。所以在使用鈉時，要采取嚴格的防范措施，這比熱堆中用水作為冷卻劑時問題要復雜得多。

壓水堆的出口水溫約330℃，燃料元件包殼的最高溫度約350℃；而快堆為了提高熱效率并適應功率密度的提高，冷卻劑的出口溫度為500~600℃，燃料元件包殼的最高溫度達650℃，比熱堆包殼的溫度高得多。很高的溫度、很深的燃耗以及數量很大的快中子的強烈轟擊，使快堆內的燃料芯塊及包殼碰到的問題比熱堆復雜得多。由于以上原因，雖然快堆早在20世紀40年代起步，只比熱堆的出現晚四年，而且第一座實現核能發電的是快堆，但是現在還未發展到商用階段。然而，通過一系列試驗堆、示范堆和商用驗證堆的建造，上述困難已基本克服，快堆技術現在已日臻完善，為大規模商用準備了條件。

中國實驗快堆是我國第一座快堆，其熱功率為65MW，電功率20MW采用鈉-鈉-水三回路設計，一回路為一體化池式結構；堆芯入口溫度360℃，出口溫度530℃，蒸汽溫度480℃，壓力14MPa。中國實驗快堆于1992年3月獲國務院批準立項，2000年5月開工建設，已于2011年7月21日10點成功實現并網發電。