气冷快堆（GFR）系统具有高温氦冷快谱反应堆的特点，该反应堆可以作为闭式燃料循环的一部分。建议用氦冷GFR作为液态金属冷却快堆的长期替代方案。这种类型的革新型核能系统具有几个令人关注的特征：氦气是一种单相，化学惰性且透明的冷却剂。高于750℃（通常为800-850℃）的高堆芯出口温度是GFR技术的附加值。

GFR的参照方案是一个2400 MWth的核电站，其堆芯出口温度为850℃，从而使间接燃气-蒸汽联合循环能够通过三个中间热交换器驱动。高堆芯出口温度对快堆堆芯燃料在高功率密度下连续运行的能力提出了苛刻的要求。这意味着GFR系统的发展面临着最大的挑战。GFR面临的第二个挑战是确保在所有预期的运行和故障条件下排出衰变热。因此，在开发商用GFR时，有必要建立一种实验示范反应堆，用于耐火燃料元件的鉴定和GFR专用安全系统的全面演示。实际上，ALLEGRO项目反应堆将成为GIF GFR参考方案的建议示范反应堆。

ALLEGRO气冷快堆示范项目

ALLEGRO项目的目标是证明可行性，并鉴定特定的GFR技术，如燃料、燃料元件、氦气相关技术和特定安全系统（尤其是衰变热排出功能），并证明这些特性可以成功地集成到一个具有代表性的系统中。GFR技术的演示假设GFR商用反应堆的基本特性可以在75MWth的ALLEGRO项目中进行测试。

ALLEGRO最初的设计包括两个氦一级回路，三个衰变热排出（DHR）回路，集成在一个加压的圆柱形保护容器中（见图GFR.1）。两个次级气体回路连接到气体-空气热交换器。ALLEGRO反应堆不仅可以作为GFR技术实验的示范反应堆，还可以作为一个试验台，在热交换器中使用反应堆的高温冷却剂，生成工业应用的工艺热，并作为一个研究设施，由于快中子能谱，对燃料和材料的开发和某些特殊装置的测试或其他研究工作具有吸引力。

75MWth反应堆应使用两个不同的堆芯运行（见图GFR.2）。在不锈钢包壳中装有UOX或MOX燃料的启动堆芯将作为六个含有先进碳化物（陶瓷）燃料的实验燃料组件的驱动堆芯。第二个堆芯将完全由陶瓷燃料组成，并将使ALLEGRO项目在其高目标温度下运行。

传统上来说，欧洲联盟、捷克共和国、匈牙利和斯洛伐克共和国这些中欧成员国是核能的主要使用者。他们打算长期使用核能，除了延长核能装置的寿命外，各国都决定在今后几年内建造新的核电站。因此，维西格勒集团四国（Visegrad-4）（ÚJV Řež, a.s. – 捷克共和国， MTA EK – 匈牙利，NCBJ – 波兰，VUJE, a.s. –斯洛伐克共和国）的四个核能研究机构和公司决定根据2010年签署的《谅解备忘录》，着眼于第四代气冷快堆（GFR）概念的ALLEGRO示范堆的建造和运行，开始联合准备工作。法国原子能和替代能源委员会（CEA）自2000年以来一直作为GFR概念的发起人，支持联合筹备工作，带来了其在建造和运行实验反应堆，特别是快堆方面的知识和经验。为了研究安全和设计问题以及中长期管理和财务问题，上述四个组织于2013年7月成立了一个法律实体V4G4卓越中心，负责开展ALLEGRO项目所需的筹备工作。V4G4卓越中心还负责项目的国际代表。作为前期工作的结果，在早期工程中，某些安全和设计问题仍未解决，在若干方面必须阐述一个新的ALLEGRO设计。因此，2015年，ALLEGRO项目启动时，制定了详细的技术方案，并制定了新的时间表。                                           

            图GFR1. GFR反应堆系统                                  图GFR 2. GFR 堆芯概念

燃料循环和燃料

燃料开发工作必须是在与反应堆设计工作密切相关下进行，以便燃料满足堆芯设计要求，并且堆芯在燃料限制范围内运行。开发创新燃料形式需要技术突破，其

·           保持热气冷反应堆最理想的特性，特别是在事故情况下的耐受温度（高温气冷堆高达1600℃，但GFR需通过设计和安全研究予以确认）；

·           抗快中子诱导损伤，对裂变产物提供良好的密封；

·           适应增加的重金属含量。

应研究燃料和革新型包壳的替代几何结构。GFR燃料开发的途径与ALLEGRO有着错综复杂的联系，有必要采用迭代方法。ALLEGRO启动堆芯将考虑在传统的钢包壳管中部署MOX或UOX燃料芯块，这就需要它自己的设计和许可计划。用于ALLEGRO项目中的全陶瓷示范堆芯的一个迭代步骤是GFR所需研发的重要组成部分。

已经确定的候选燃料类型有：

·           ALLEGRO启动堆芯用15-15 钛钢管包壳的UOX和MOX颗粒；

·           燃料细棒/燃料芯块，其特征是陶瓷包壳材料中具有固溶燃料芯块，因此，此类燃料细棒和最终组件将被引入ALLEGRO启动堆芯中，并最终作为示范堆。

有大量的MOX燃料方面知识，但需要具备这些知识以建立ALLEGRO启动堆芯。

关于潜在的陶瓷（特别是SiCf/SiC）和耐火合金的数据并不完整。这些材料需要进行调整，以应对不同的载荷（热梯度、燃料屏障相互作用、动态载荷等），这意味着需要对它们的组分和微观结构进行特定的专门研发。

高温实验的主要目的是研究15-15钛合金在高温氦中的特性。除了测试小试管样品外，还将在高温下进行冲气和爆裂实验。还将进行力学试验，研究高温处理后包壳负载能力的变化。包壳的微观结构将通过扫描电镜和金相学进行检验。

反应堆启动燃料鉴定程序的开发将包括15-15 钛包壳的MOX/UOX燃料的各步骤规范，包括在具有快谱的反应堆中进行辐照和辐照后燃料样品的辐照检查。

启动堆芯的数值模型开发将侧重于扩展具有快堆燃料属性和模型的“FUROM”代码，以模拟ALLEGRO启动堆芯的燃料特性。该代码的验证应基于钠冷快堆燃料过去的历史数据。

将在高温氦中进行SiC包壳测试，以跟踪潜在变化。计划对高温处理后的试样进行力学性能测试，并用扫描电镜（SEM）和金相学检测微观结构。特别是将研究离子辐照对SiC复合材料的影响，以评估Hi-Nicalon-S型纤维和碳纤维涂层所观察到的显著体积变化的重要性。对SiC复合材料进行不同温度范围的高剂量离子辐照，包括GFR的工作温度。还将研究高剂量辐照对SiC复合材料的影响。

研究碳化硅复合材料的高温氧化特性对于建模进气道严重事故具有重要意义。各种碳化硅复合材料和单片碳化硅陶瓷将被氧化至1500℃。将在了解氧化特性的基础上进行碳化硅的表面改性。

短期内将分析以下主题：

ALLEGRO反应堆堆芯设计：

·           使用ERANOS，MCNP，SERPENT验证代码进行UOX堆芯的可行性研究。

·           确定反应堆的总功率和功率密度，以满足安全极限和辐照能力。

·           制定选择标准以选择最佳堆芯。

ALLEGRO燃料行为代码的开发：

·           收集快堆材料的材料数据。

·           FUROM代码所需反应堆物理参数的推导。

·           FUROM代码中快堆材料数据的实施。

与ALLEGRO燃料鉴定和规格相关的任务：

·           ALLEGRO燃油相关验收标准。

·           审查ALLEGRO第一堆芯燃料候选。

·           选择ALLEGRO最佳陶瓷燃料组件。

·           陶瓷燃料鉴定程序的开发。

与燃料材料研究相关的任务：

·           审查SiCf/SiC包壳材料。

·           在高温氦下测试UOX/MOX燃料包壳。

·           对UOX/MOX燃料包壳进行力学试验。

先进的部件和材料

关于GFR的堆芯结构材料（包壳、反射组件、控制棒导杆等），主要的挑战是开发能够承受快中子引起的损伤和高温范围的材料。因此，陶瓷材料（整体、复合）是参考选项，且复合金属陶瓷结构、耐火合金和金属间化合物作为备用选择。此外，反射层应具有特定的中子特性，以有效地减少中子泄漏并保护周围的容器；在这一阶段，锆和硅的金属间化合物是该组件的首选。

特殊问题和技术

衰变热排出能力的提高旨在定义和优化快速或缓慢降压瞬态期间的简单而稳健的组合和互补故障安全解决方案的排序。要讨论的主要议题是：

·           增加堆芯热惯性。

·           优化关键设计参数，以增强自然对流。确定所需的备用压力。

·           优化DHR系统：

–          耦合初级-次级涡轮机；

–          喷射系统、重气蓄能器。

·           保护容器和系统安全壳。