掌握快堆技術(shù) 促進(jìn)核能可持續(xù)發(fā)展

■ 中國(guó)原子能科學(xué)研究院

掌握快堆技術(shù) 促進(jìn)核能可持續(xù)發(fā)展

■ 中國(guó)原子能科學(xué)研究院

2010年7月21日上午9點(diǎn)50 分，我國(guó)第一座快堆也是本世紀(jì)世界上建成的第一座快堆——中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆成功實(shí)現(xiàn)了首次臨界。這是我國(guó)核能發(fā)展史上具有里程碑意義的重大事件，是我國(guó)核能技術(shù)開發(fā)和核科技創(chuàng)新的巨大成就，對(duì)促進(jìn)我國(guó)核電可持續(xù)發(fā)展和先進(jìn)燃料循環(huán)體系建立具有重要意義，對(duì)世界快堆技術(shù)的發(fā)展也是一個(gè)重要的貢獻(xiàn)。

中國(guó)原子能科學(xué)研究院快堆科技工作者發(fā)揚(yáng)“以身許國(guó)，敢為人先，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)”的401精神，用近半個(gè)世紀(jì)的追求，用幾代人的堅(jiān)持和奮斗，經(jīng)過曲折和艱辛，終于贏得這一激動(dòng)人心時(shí)刻的到來(lái)！

一、發(fā)展快堆技術(shù)的重大意義

發(fā)展快堆主要有兩大優(yōu)勢(shì)：一是增殖核燃料，它可將天然鈾中99%以上在壓水堆中不能利用的鈾-238轉(zhuǎn)化成易裂變?nèi)剂项?239供壓水堆和快堆使用，將鈾資源利用率提高到60%以上，解除核燃料供應(yīng)不足的后顧之憂。二是焚燒長(zhǎng)壽命放射性核素，快堆既可利用壓水堆乏燃料中的反應(yīng)堆钚生產(chǎn)電能，又可將乏燃料中的長(zhǎng)壽命放射性核素?zé)舨⑥D(zhuǎn)化成電能，變廢為寶，將放射性危害減至最小。顯然，快堆具有“節(jié)約高效”和“清潔環(huán)保”的特點(diǎn)，它與壓水堆匹配發(fā)展，形成閉式燃料循環(huán)系統(tǒng)，可以有效實(shí)現(xiàn)核能的可持續(xù)發(fā)展，符合我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的發(fā)展要求。因此，我國(guó)核能發(fā)展戰(zhàn)略是熱中子反應(yīng)堆（壓水堆）—快中子反應(yīng)堆（快堆）—聚變反應(yīng)堆“三步走”。

2010年4月18日，中共中央政治局委員、國(guó)務(wù)委員劉延?xùn)|視察原子能院工作。

快堆是繼壓水堆之后發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)核電堆型，是第四代核電技術(shù)的主力堆型。2000年以來(lái)，以美國(guó)為首提出的第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的6種堆型中有3種是快堆，其中最成熟的是鈉冷快堆，就是中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆這種類型。

二、中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆項(xiàng)目概況

上世紀(jì)60年代中期，我國(guó)的快堆研究起步。中國(guó)原子能科學(xué)研究院開始在快堆物理、熱工、結(jié)構(gòu)材料和鈉工藝等方面開展了一些基礎(chǔ)研究，并建成了一批小型實(shí)驗(yàn)裝置。其中，最具有代表性的研究成果是1969年由周恩來(lái)總理特批50公斤高濃鈾建成的“東風(fēng)-6號(hào)”零功率實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)快堆技術(shù)發(fā)展“零”的突破。進(jìn)入80年代，改革開放的春風(fēng)給我國(guó)的高科技發(fā)展帶來(lái)了勃勃生機(jī)。1986年3月，鄧小平同志對(duì)中國(guó)原子能科學(xué)研究院王淦昌院士等四位科學(xué)家提出的關(guān)于我國(guó)應(yīng)跟蹤世界高技術(shù)前沿的建議信函作出重要批示，從而催生了“863”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃。經(jīng)來(lái)自全國(guó)煤炭、石油、水力、核能、電力、礦產(chǎn)等各領(lǐng)域幾百位專家的充分論證，快堆項(xiàng)目脫穎而出，被列入“863”計(jì)劃能源反應(yīng)堆主題項(xiàng)目。中國(guó)原子能科學(xué)研究院就此開始了針對(duì)設(shè)計(jì)和建造中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆的前期技術(shù)研究。1992年3月，該項(xiàng)目被列為“863”計(jì)劃能源領(lǐng)域發(fā)展計(jì)劃中的重點(diǎn)項(xiàng)目。1995年12月，由國(guó)家計(jì)委和國(guó)家科委聯(lián)合批準(zhǔn)工程立項(xiàng)。1997年8月，被國(guó)家科委批準(zhǔn)為“863”計(jì)劃重大項(xiàng)目。2006年，快堆作為前沿技術(shù)列入國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃。2007年12月，國(guó)家科技部和國(guó)防科工委聯(lián)合批復(fù)，確定了中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆工程“十一五”的建設(shè)目標(biāo)及項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)和工程投資。國(guó)家科技部、國(guó)防科工局和中核集團(tuán)公司三家共同出資，總經(jīng)費(fèi)25.03億元。

中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆，熱功率65MW，實(shí)驗(yàn)發(fā)電功率20MW，采用堆本體池式結(jié)構(gòu)，首爐使用UO2燃料并最終過渡到MOX燃料，液態(tài)金屬鈉作冷卻劑，熱傳輸系統(tǒng)采用鈉、鈉、水三回路系統(tǒng)，并在世界上首次實(shí)現(xiàn)了完全靠設(shè)置在一回路的非能動(dòng)事故余熱排出系統(tǒng)排出事故工況下的余熱。該技術(shù)方案符合世界快堆發(fā)展趨勢(shì)，主要參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)置接近商用快堆，具備了大部分原型快堆的一些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，適宜于向下一步商用快堆電站跨越。中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆還采用了負(fù)反饋設(shè)計(jì)、非能動(dòng)安全系統(tǒng)等前瞻性安全設(shè)計(jì)，以保證環(huán)境和公眾的絕對(duì)安全，其安全特性指標(biāo)已達(dá)到第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的要求。

中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆工程在完成前期研究后，1997年11月初步設(shè)計(jì)得到國(guó)家科委批準(zhǔn)，1998年10月開始主廠房負(fù)挖，2000年5月取得國(guó)家核安全局頒發(fā)建造許可證，并于5月30日開工，2002年8月實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)堆主廠房封頂，2005年8月堆容器首批部件吊入反應(yīng)堆大廳開始堆本體安裝，2008年12月完成全部安裝并開始調(diào)試，2009年8月完成了裝料前的全部準(zhǔn)備工作，并于9月取得國(guó)家核安全局頒發(fā)的裝料許可證，2010年6月5日開始裝料。2010年7月21日實(shí)現(xiàn)了首次臨界，目前堆芯共裝載燃料組件72根。

中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆是一個(gè)全新的重大科學(xué)工程，其規(guī)模已接近核電站。從技術(shù)上講，不但涉及研究、設(shè)計(jì)、土建、安裝、設(shè)備制造、調(diào)試、運(yùn)行、核安全、環(huán)境評(píng)價(jià)、核工程管理等多方面技術(shù)，也是集核科學(xué)、材料、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、信息、化工、電力等工業(yè)技術(shù)于一體的綜合性項(xiàng)目。設(shè)計(jì)起點(diǎn)高，技術(shù)難度大，接口復(fù)雜。從工程量講，全廠共有16個(gè)建筑子項(xiàng)，建筑面積近5萬(wàn)平方米，系統(tǒng)200多個(gè)，設(shè)備7000多臺(tái)套；工程共澆筑混凝土11萬(wàn)立方米，使用鋼筋2.3萬(wàn)噸，安裝管道90公里，敷設(shè)電纜1100公里；共完成設(shè)計(jì)文件5000多冊(cè)，調(diào)試技術(shù)文件約600冊(cè)、運(yùn)行維保規(guī)程約600冊(cè)、各類研究報(bào)告約1200個(gè)，開展設(shè)計(jì)驗(yàn)證近60項(xiàng)，調(diào)試試驗(yàn)1000多項(xiàng)，合同總數(shù)達(dá)1600多個(gè)。

2010年8月17日，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)總干事天野之彌參觀考察中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆。

實(shí)驗(yàn)快堆反應(yīng)堆大廳

堆芯組件

三、項(xiàng)目實(shí)施取得的主要成果

按照國(guó)家文件批復(fù)，要在“十一五”末建成我國(guó)第一座快堆，取得快堆技術(shù)上的突破，實(shí)現(xiàn)“建立裝置，掌握技術(shù)，培養(yǎng)人才，開展實(shí)驗(yàn)”的建堆目標(biāo)。

以此為目標(biāo)，中國(guó)原子能科學(xué)研究院作為快堆研發(fā)的歸口組織單位和主要研發(fā)任務(wù)的承擔(dān)單位，作為中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆工程設(shè)計(jì)總包和核島主工藝設(shè)計(jì)者，作為工程建設(shè)業(yè)主和建成后的運(yùn)營(yíng)單位，20多年以來(lái)，組織國(guó)內(nèi)數(shù)百家高校、研究、設(shè)計(jì)、設(shè)備制造和建筑安裝施工單位，包括中核集團(tuán)公司下屬的多家單位和國(guó)內(nèi)多家知名的核電企業(yè)，參與了工程的研究、設(shè)計(jì)和建造。中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆建成，既是全體參建單位艱苦奮斗、團(tuán)結(jié)拼搏、大力協(xié)同的結(jié)果，也是一個(gè)以我為主、自主創(chuàng)新、聯(lián)合攻關(guān)的過程。通過項(xiàng)目實(shí)施，中國(guó)原子能科學(xué)研究院在實(shí)驗(yàn)設(shè)施、技術(shù)、人才、經(jīng)驗(yàn)等方面取得了豐碩的成果。

1．技術(shù)能力得到重大突破

通過項(xiàng)目實(shí)施，我國(guó)目前已經(jīng)掌握快堆絕大部分核心技術(shù)。建立了一套快堆標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，開發(fā)出了一套用于鈉冷快堆設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)的軟件庫(kù)，形成了可開展快堆物理、熱工、力學(xué)、安全、材料、燃料、設(shè)備等方面研究的幾十套實(shí)驗(yàn)裝置。通過中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆的自主設(shè)計(jì)和建造，我國(guó)已形成實(shí)驗(yàn)快堆規(guī)模的快堆設(shè)計(jì)、建造、調(diào)試和運(yùn)行能力，這為下一步商用快堆電站的開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2．產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步

通過與全國(guó)多家企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)，實(shí)驗(yàn)快堆設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到70%。其中包括中國(guó)原子能科學(xué)研究院與中國(guó)第一重型機(jī)械集團(tuán)聯(lián)合研制的反應(yīng)堆關(guān)鍵設(shè)備——堆容器與旋塞，與蘭太實(shí)業(yè)公司聯(lián)合生產(chǎn)的快堆關(guān)鍵材料——核級(jí)鈉，與上海電氣集團(tuán)等企業(yè)聯(lián)合開發(fā)成功的控制系統(tǒng)——全自動(dòng)換料系統(tǒng)，與中核北京核儀器廠等企業(yè)聯(lián)合研制出的關(guān)鍵安全系統(tǒng)——快堆核測(cè)、控制與保護(hù)系統(tǒng)，與上海一機(jī)床共同研制成功的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)、反射層組件和屏蔽組件等。這標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)形成基本配套的快堆工業(yè)體系。

3．知識(shí)產(chǎn)權(quán)和人才培養(yǎng)取得雙豐收

通過項(xiàng)目實(shí)施，新編標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)150多個(gè)，申報(bào)專利165項(xiàng)，獲得專利授權(quán)73項(xiàng)，獲得部級(jí)以上科技獎(jiǎng)51項(xiàng)，預(yù)計(jì)最終將獲得專利150多項(xiàng)，成果200多項(xiàng)。目前，中國(guó)原子能科學(xué)研究院擁有了一支近400人的高水平快堆技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，特別是通過研究轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)調(diào)試、調(diào)試轉(zhuǎn)運(yùn)行的技術(shù)隊(duì)伍一體化組織模式，培養(yǎng)了一批快堆的“全能選手”和業(yè)務(wù)骨干。以此為基礎(chǔ)，我國(guó)有能力跨過原型快堆而直接發(fā)展商用快堆電站，實(shí)現(xiàn)快堆技術(shù)的跨越發(fā)展。

四、我國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆首次臨界后的后續(xù)研發(fā)及設(shè)想

位于內(nèi)蒙古的大型核級(jí)鈉生產(chǎn)基地

中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆首次臨界后，接下來(lái)將繼續(xù)進(jìn)行控制棒價(jià)值測(cè)量、反應(yīng)性反饋測(cè)量、裂變率分布測(cè)量等第二階段的試驗(yàn)，在此之后進(jìn)入提升功率的第三試驗(yàn)階段，計(jì)劃2011年上半年并網(wǎng)發(fā)電。

中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆，為我國(guó)核能技術(shù)開發(fā)提供了一個(gè)新的研發(fā)平臺(tái)。建成后的中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆，將進(jìn)一步驗(yàn)證其各項(xiàng)性能，進(jìn)行安全運(yùn)行技術(shù)研究，積累鈉冷快堆運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)；作為我國(guó)首座快中子輻照裝置，輻照考驗(yàn)燃料和材料，突破燃料和材料技術(shù)；也作為鈉冷快堆電站的工況環(huán)境，考驗(yàn)實(shí)驗(yàn)堆規(guī)模的國(guó)產(chǎn)設(shè)備，為商用快堆電站設(shè)備研制積累經(jīng)驗(yàn)。目前，已有國(guó)家“863”計(jì)劃、國(guó)防預(yù)研、國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)、核能開發(fā)等多個(gè)渠道對(duì)下一步的快堆研發(fā)工作予以支持。中核集團(tuán)公司和中國(guó)原子能科學(xué)研究院也自籌資金正在開展相關(guān)技術(shù)研究。因此，建成后的中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆，不僅是國(guó)內(nèi)快堆技術(shù)研發(fā)和核燃料循環(huán)技術(shù)研發(fā)的重要基地，也是快堆國(guó)際技術(shù)交流的重要平臺(tái)。

在“863”計(jì)劃中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆項(xiàng)目研發(fā)的初期，中國(guó)原子能科學(xué)研究院就提出了建設(shè)快堆研究中心的設(shè)想。原國(guó)務(wù)委員宋健1990年還參加了中國(guó)原子能科學(xué)研究院快堆研究中心綜合大樓的奠基儀式，原國(guó)務(wù)院副總理鄒家華在1992年親筆題寫了“中國(guó)快堆研究中心”。國(guó)家能源局2010年1月在中國(guó)原子能科學(xué)研究院掛牌成立了“國(guó)家能源快堆工程技術(shù)研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心”，該中心將以中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆為核心，周邊配套物理、熱工、材料、燃料、鈉工藝研究等實(shí)驗(yàn)室，并計(jì)劃新建一批新的實(shí)驗(yàn)大樓，依靠中國(guó)原子能科學(xué)研究院在快堆研發(fā)方面形成的技術(shù)和人才基礎(chǔ)，逐步成為國(guó)家核能發(fā)展戰(zhàn)略研究咨詢中心、國(guó)家快堆技術(shù)研究中心、國(guó)家快堆電站技術(shù)支持中心、國(guó)家快堆核電裝備制造技術(shù)支持中心和國(guó)家先進(jìn)燃料循環(huán)體系的技術(shù)研發(fā)中心。

在國(guó)家相關(guān)部門大力支持下，中國(guó)原子能科學(xué)研究院正以“創(chuàng)新技術(shù)、培養(yǎng)人才、推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化”為目標(biāo)，通過快堆研發(fā)課題和快堆電站技術(shù)開發(fā)等重大項(xiàng)目的帶動(dòng)，通過自主創(chuàng)新和國(guó)際合作，全面形成中國(guó)原子能科學(xué)研究院在快堆研發(fā)、設(shè)計(jì)、建造技術(shù)服務(wù)和工程承包能力，繼續(xù)為我國(guó)快堆技術(shù)研發(fā)、核能可持續(xù)發(fā)展和核科技創(chuàng)新能力提升作出新的貢獻(xiàn)！

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