發(fā)展快堆技術(shù)，保證核能可持續(xù)發(fā)展

徐 銤

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

編者按：快堆，作為第四代核能系統(tǒng)的首選堆型之一，受到了世界主要核電國家的高度重視。發(fā)展快堆，不僅對于實現(xiàn)我國核能可持續(xù)大規(guī)模發(fā)展具有重大的戰(zhàn)略意義，而且對于我國步入先進能源科技領(lǐng)域也具有十分重要的意義。為了揭開快堆神秘的面紗，本刊專訪了中國實驗快堆總工程師、中國核工業(yè)集團公司快堆核電技術(shù)首席專家徐銤院士。

《中國核電》：我國自主研發(fā)、設(shè)計、建造的中國實驗快堆于2011年7月21日已經(jīng)成功實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，請您介紹一下什么是快堆，它與壓水堆有什么區(qū)別？

徐銤：快堆，是“快中子反應(yīng)堆”的簡稱，是由快中子維持裂變鏈式反應(yīng)的反應(yīng)堆。它是世界上第四代先進核能系統(tǒng)的首選堆型之一，代表了第四代核能系統(tǒng)的發(fā)展方向。

快堆中引起裂變鏈式反應(yīng)的中子平均速度比熱中子堆的中子快上千倍。快堆運行發(fā)電時，一方面消耗易裂變?nèi)剂希硪环矫嬗之a(chǎn)生新的易裂變?nèi)剂希耶a(chǎn)生的易裂變?nèi)剂隙嘤谙牡囊琢炎內(nèi)剂希@就使易裂變?nèi)剂系玫搅嗽鲋常钥於延址Q為“快中子增殖堆”。

快堆與現(xiàn)在運行的壓水堆最大的區(qū)別是：壓水堆消耗的核燃料是鈾-235，而快堆真正消耗的核燃料是鈾-238。天然鈾中，易裂變的鈾-235只占0.71%左右，而鈾-238占到99%以上，可見，天然鈾中可以直接用做核燃料的易裂變核素鈾-235非常少。目前，壓水堆對鈾資源的利用率較低，只有1%左右，而快堆可以將利用率提高很多。

《中國核電》：請您談?wù)劙l(fā)展快堆的重要意義。徐銤：發(fā)展快堆主要有兩方面重要意義：一是保證了鈾資源長期穩(wěn)定的供應(yīng)，二是可以焚燒和嬗變掉壓水堆乏燃料中的長壽命高放廢物，減少廢物量，保護了環(huán)境。

目前，世界上有400多座核電廠。一座百萬千瓦級的壓水堆核電廠，如果燃料一次通過，60年壽期總共要消耗大約1萬噸天然鈾。大規(guī)模發(fā)展壓水堆，應(yīng)該考慮到可開采鈾資源的有限性和可開采鈾資源實際上存在的不確定性。發(fā)展快堆，核燃料可以無限次循環(huán)，從理論上可將鈾資源的利用率提高到100%。考慮到燃料后處理和制造中的損耗，利用率最終可達60%～70%。比起單單發(fā)展壓水堆，對鈾資源的利用率提高了60～70倍，甚至130～150倍。所以說，發(fā)展快堆，能夠消除大規(guī)模核能應(yīng)用引起的鈾資源匱乏之虞。

此外，隨著核電的大規(guī)模發(fā)展，核電廠卸出的乏燃料將逐漸增多。一座百萬千瓦級的核電廠每年要卸除大約30噸的乏燃料，這些乏燃料中含有次錒系核素和長壽命裂變產(chǎn)物。這些物質(zhì)的積累會對環(huán)境產(chǎn)生潛在威脅，必須妥善處置，最好將它們嬗變掉。而快堆是以快中子運行的堆，這些次錒系核素在快堆中可以當裂變?nèi)剂蠠簦瑖庋芯勘砻鳎蛔?000 MW大型快堆，可以嬗變掉5～10座同等功率的壓水堆所產(chǎn)生的次錒系核素，長壽命裂變產(chǎn)物可在快堆反射層中建立高通量熱中子區(qū)輻照嬗變掉。所以說，發(fā)展快堆，焚燒和嬗變壓水堆運行產(chǎn)生的乏燃料中的長壽命高放廢物，能消除影響環(huán)境之憂。

《中國核電》：快堆有如此重要的意義，請您介紹一下世界快堆的發(fā)展情況。

徐銤：快堆發(fā)展與壓水堆發(fā)展基本上是同時起步的，自1946年美國建成世界上第一座熱功率為25 kW的克萊門汀（Clementine）快堆，至1994年日本建成電功率為318 MW文殊（Monju）原型快堆，全世界總共建成過21座快堆，包括實驗快堆、原型快堆和經(jīng)濟驗證性快堆（又稱示范快堆）。目前，有3座快堆正在建造之中，包括俄羅斯電功率為800 MW的BN-800商用快堆、印度電功率500 MW原型快堆（PFBR）和我國熱功率為65 MW的中國實驗快堆（CEFR）。

回顧世界快堆發(fā)展歷程，20世紀70年代后期達到了高潮。美國作為世界發(fā)展快堆技術(shù)最早的國家，相繼建成過7座快堆；法國作為核電強國，先后建成3座快堆；俄羅斯有很好的快堆發(fā)展計劃，先后建成了3座實驗快堆和2座原型快堆電站；英國、德國、日本、印度等國也建成了實驗快堆。可以說，快堆技術(shù)逐步趨于成熟，鈉工藝技術(shù)已不再是制約快堆發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，快堆已經(jīng)過實驗堆、原型堆和示范快堆的完整階段，建成的快堆也運行良好。

中國實驗快堆外景

目前，世界主要國家對快堆都有較為明確的規(guī)劃，美國計劃在2020年，建成一座電功率為600 MW的先進鈉冷快堆（ABR）；法國計劃在2020年，建成電功率600 MW的第四代鈉冷原型快堆（ASTRID）；俄羅斯正在建造電功率為800 MW的BN-800快堆電站，同時還計劃建造電功率百萬千瓦級的BN-1200大型商用快堆電站；日本計劃于2025年建成電功率為670 MW的示范快堆（DFBR），2030年開始設(shè)計電功率為1200 MW的大型商用快堆（JSFR）；印度正在建設(shè)的電功率為500 MW的鈉冷原型快堆，同時計劃在2020年建成5座電功率500 MW的快堆電站；韓國計劃在2028年建成電功率為600 MW的鈉冷示范快堆。

所以說，世界各國快堆發(fā)展的基本思路都是瞄準第四代核電堆型，圍繞鈉冷快堆及其燃料循環(huán)開展工作，以實現(xiàn)核能可持續(xù)發(fā)展，未來30年，世界快堆發(fā)展將會出現(xiàn)新的高潮。

《中國核電》：請您介紹一下我國快堆的發(fā)展歷程。

徐銤：我國快堆技術(shù)的開發(fā)始于20世紀60年代中期，前二機部組織了約50人的科研隊伍進行基礎(chǔ)研究，通過理論和實驗研究，從1987年起，快堆技術(shù)發(fā)展納入國家“863”高技術(shù)計劃，成為該計劃能源領(lǐng)域的一個重大項目。“863”計劃確定了熱功率為65 MW實驗快堆的工程目標，并為此目標安排了9大課題61個子課題的預(yù)研論證課題。

從1992年中國實驗快堆項目得到國家批準開始，我國快堆技術(shù)的研發(fā)進入了以中國實驗快堆工程為直接牽引的工程研究、試驗驗證、設(shè)計和建造階段。該階段也是我國投入快堆研發(fā)力量最為集中、規(guī)模最大的階段。

以中國原子能科學研究院為主，自主完成中國實驗快堆主系統(tǒng)的概念設(shè)計，通過與俄羅斯的技術(shù)設(shè)計合作，進一步自主完成了工程初步設(shè)計和施工設(shè)計。

在中國實驗快堆工程開始實施后，共開展設(shè)計驗證試驗項目50多項，包括零功率物理模擬、余熱導(dǎo)出、安全系統(tǒng)性能、中規(guī)模鈉凈化和運輸、鈉火及其監(jiān)測和消防、鈉雜質(zhì)分析、材料與鈉相互作用以及特殊儀表設(shè)備關(guān)鍵部件驗證等。

中國實驗快堆主控室

2000年5月，中國實驗快堆開工建設(shè)；2002年8月，實現(xiàn)了主廠房封頂；2008年12月，安裝結(jié)束；2009年，冷態(tài)和熱態(tài)調(diào)試完成；2010年7月21日，實現(xiàn)了首次臨界；2011年7月21日，成功實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

《中國核電》：請您介紹一下我國快堆的發(fā)展規(guī)劃。

徐銤：我國研制的快堆是以鈉作為冷卻劑的，這在我國是一種全新的核工程技術(shù)，為減小工程發(fā)展中的技術(shù)經(jīng)濟風險，我國快堆工程發(fā)展將分為三步：中國實驗快堆（CEFR）、中國示范快堆、大型增殖經(jīng)濟驗證性快堆，繼而商用推廣。

我國快堆發(fā)展的戰(zhàn)略目標是2020年左右建成600～1000 MW中國示范快堆核電站，繼而小規(guī)模推廣，2030年可以推廣商用，以防鈾資源短缺。

通過中國實驗快堆工程的研究、設(shè)計、建造，我國將全面掌握鈉冷池式實驗快堆技術(shù)，實現(xiàn)反應(yīng)堆自主設(shè)計、自主建造、自主調(diào)試，設(shè)備國產(chǎn)化率達到70%，最終實現(xiàn)“建立裝置、掌握技術(shù)、培養(yǎng)人才、開展實驗”的建堆目標。經(jīng)過快堆建成后的運行和研發(fā)，將進一步積累運行和維修經(jīng)驗，驗證反應(yīng)堆、系統(tǒng)和設(shè)備性能，進一步驗證并優(yōu)化設(shè)計程序、設(shè)計方法和設(shè)計方案，完善規(guī)范標準，進行燃料、材料及設(shè)備考驗，為下一步快堆電站的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。