第四代核能系統的六大候選堆型

蘇更林

超高溫氣冷堆具有效率高、安全性好、應用廣的特點，是目前世界上主流核電國家競相開發的核能發電技術。該反應堆是由低溫氣冷堆發展而來的，以鈾作為核燃料，采用石墨慢化、氦氣冷卻。

用氦氣作為冷卻劑，利用了氦氣化學惰性和熱工性能好的優勢，堆芯出口氦氣溫度可達1000℃。超高溫意味著更高的發電效率，并且具有廣闊的應用前景。超高溫氣冷堆不僅可用于清潔核能發電，它產生的高溫熱能還可代替煤炭等燃料，應用于煤的氣化、熱化學制氫、海水淡化、集中供熱等領域，對于實現碳中和具有重要的意義。

據悉，美國、德國等國家一直致力于高溫氣冷堆核電技術研究。我國石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程于2021年12月20日送電成功，這是全球首座球床模塊式高溫氣冷堆核電站，也是全球首個并網發電的第四代高溫氣冷堆核電項目。標志著我國已成為世界核電先進技術的領跑者。

采用模塊式設計具有更高的安全性，被人們譽為“不會熔毀的核反應堆”。原來，通過模塊式設計可以把一個大型核反應堆拆成若干個小模塊，而每個模塊都是獨立的小型反應堆。要知道，每個模塊的功率更小，這樣停止工作后產生的余熱就少，通過熱傳導等方式就能輕松導出，因此能防止高溫熔毀以及核泄漏事故的發生。

在第四代核能系統候選堆型中，超臨界水冷堆是唯一的水冷堆型。所謂超臨界水冷堆，說的是系統以超臨界水作為冷卻介質。水的臨界點為374℃和22.1兆帕，因此超臨界水冷反應堆是一個高溫高壓的水冷反應堆。

超臨界水冷反應堆的優勢顯而易見。由于水在超臨界狀態下兼具液體和氣體的性質，因此具有更高的熱傳導效率。如果運行壓力為250個大氣壓，冷卻劑出口溫度可高于500℃，因此可以提高熱電轉換效率，有效節省鈾資源。同時，由于超臨界水冷堆只存在一種相態，因此可以簡化反應堆系統，從而節省建造成本，在經濟上具有一定的優勢。

專家認為，超臨界水冷堆是一種很有前途的先進核能發電技術。超臨界水冷堆的主要用途是發電和制氫。從21世紀初開始，美國、日本、加拿大、德國、法國、俄羅斯、韓國等相繼開展了該技術的研究開發。

我國對于超臨界水冷堆技術的研究啟動于2003年。國內多家高校和研究機構參與研究，并提出了具有自主知識產權的中國超臨界水冷堆CSR1000總體設計方案。2014年5月，中國正式簽署了加入第四代核能系統國際論壇超臨界水冷堆系統安排協議。

快中子堆全稱為快中子增殖反應堆，簡稱快堆。它是指由快中子引起鏈式裂變反應釋放熱能并轉換為電能的反應堆。

快堆的優勢之一是核燃料可以增殖。我們知道，在天然鈾中鈾—235只占0.714%，熱中子堆對鈾資源的利用率只有1%～2%。快堆可以把豐度在99.2%以上的鈾—238有效轉化為易裂變的钚—239等，從而實現裂變材料的不斷增殖。快堆可把鈾資源的利用率提高到60%～70%。

那么，核燃料是如何進行增殖的呢？雖說快堆使用的核燃料為钚—239，但離開了鈾—238它也玩不轉。钚—239裂變時放出來的快中子，能夠被裝在外圍再生區的鈾—238所吸收。鈾—238吸收中子之后很快變成钚—239。這樣一來，钚—239不斷地裂變，產生的快中子又不斷地把鈾—238變成钚—239。由于再生速度高于消耗速度，所以核燃料钚—239會越用越多，即“增殖”。在這個過程中，名義上是钚—239在裂變釋能，實際上消耗的是鈾—238。

快堆的優勢之二是降低核廢物的環境壓力。快堆能把長壽命的裂變產物和錒系核素轉變為一般的裂變產物，從而可以解決高放核廢物問題。

據悉，采用裂變熱堆核燃料一次循環的技術路線，世界鈾資源只夠人類使用數十年；采用快堆鈾—钚循環的技術路線，則世界鈾資源可供人類使用千年有余。

鑒于快堆的明顯優勢，使其在第四代核能系統候選堆型中占據了一半的席位（3個快堆）。根據快堆冷卻方式的不同，可以分為氣冷快堆、鈉冷快堆和鉛冷快堆。

氣冷快堆是一種尚處于研究中的快堆堆型。氣冷快堆以氦氣等氣體作為冷卻劑，采用閉式燃料循環。可直接用氦氣輪機進行發電，也可以利用熱能制氫，還可以把熱量應用于其他工業過程。

鈉冷快堆是第四代快堆堆型中發展最快，也最接近商業化的快堆，在鈾資源有效利用和核廢料處置方面具有獨特的優勢。

鈉冷快堆就是以熔融鈉或低共熔鈉鉀合金作為冷卻劑，由快中子觸發核裂變而維持鏈式反應的反應堆。根據堆型布置的不同，鈉冷快堆可以分為回路式鈉冷快堆和池式鈉冷快堆。回路式結構就是用管路把各個獨立的設備連接成回路系統，這樣設備維修起來比較方便，但由于系統復雜，容易發生故障。池式結構采用的是一體化方案，即把堆芯與一回路的鈉循環泵、中間熱交換器等浸泡在一個液態鈉池內。池式結構維修不便，但安全性好。近年來，出于安全方面的考慮，池式鈉冷快堆逐漸成為發展的主流。

為什么要用鈉作為冷卻劑呢？鈉的主要優點為高導熱系數和低中子吸收率。高導熱系數有利于高速率傳熱，低中子吸收率有利于核反應進行。如鈉的導熱能力是水的130倍，用其作為冷卻劑在很大程度上能防止堆芯的熔化。

同時，鈉是地球上比較豐富的元素之一，在價格方面具有一定的優勢。鈉的熔點為98℃，沸點為883℃，能夠在接近大氣壓力下運行。鈉和鈉鉀共晶合金不會嚴重腐蝕鋼材，并且與許多核燃料兼容。

鈉是一種非常活潑的金屬，與氧、水以及結構材料的相互作用具有高活性。鈉和鈉鉀共晶合金在空氣中可以自燃并可與水發生爆炸性反應，用其作為反應堆冷卻劑需要密封的冷卻系統，并需采取一些特殊的預防措施。

鈉冷快堆能實現钚—239的增殖，30多年后钚—239就可以翻一番。因此，钚—239可以滿足兩座同規模鈉冷快堆的需要。再經過30多年，钚—239就可以滿足四座鈉冷快堆的需要了……

中國是世界上第8個擁有鈉冷快堆技術的國家。2000年5月，中國實驗快堆（鈉冷）開工建設，于2011年7月成功并網發電。2017年在福建霞浦開建的中國示范快堆A型（CFR—600），采用單機容量60萬千瓦的鈉冷快堆，計劃于2023年完工。

鉛冷快堆是由熔融鉛（或鉛基合金）冷卻的快中子反應堆，在高溫和接近大氣壓的條件下運行。

鉛是人類最早發現的金屬之一，由于其具有抗腐蝕特性被應用于許多場合。熔融鉛和鉛鉍共晶合金具有的基本熱力學和中子學特性，用作冷卻劑具有一定的優勢。如鉛在常壓下的沸點（1749℃）很高，鉛鉍共晶合金（鉛44.5%，鉍55.5%）的沸點為1670℃，具有較強的熱傳導能力。由于鉛的密度較高，鉛和鉍也是出色的伽馬輻射屏蔽材料，同時對中子幾乎是透明的，中子吸收和慢化截面很小。

鉛冷快堆具有熱效率高、燃料利用率高，以及固有安全性的優勢。同時，鉛是一種比鈉更惰性的金屬，不容易與水或空氣發生反應。并且鉛冷快堆產生的核廢物更少，輻射毒性也更低。

但是，鉛和鉛鉍共晶合金冷卻劑要比鈉或鈉鉀共晶合金對鋼的腐蝕性更大一些。此外，鉛和鉛鉍共晶合金的熔點較高，分別為327℃和123.5℃，意味著反應堆在較低溫度下運行時冷卻劑可能會凝固。

2016年，我國“麒麟一號”鉛基快中子堆研發取得重大突破，冷卻劑技術綜合實驗回路的實驗能力和運行參數處于國際領先水平，對促進我國鉛冷快堆的工程化具有重要的意義。

熔鹽反應堆是一種與其他堆型不同的核反應堆，主要特征是使用高溫液態熔鹽作為冷卻劑。為什么要用熔鹽作為冷卻劑？熔鹽具有的高熱容、高熱導、高沸點以及低蒸氣壓等特點，使其在安全性和經濟性方面具有顯著的優勢。

熔鹽反應堆經過幾十年的發展，已經由概念轉化為三種主要的堆型，即熔鹽冷卻液態燃料熱堆、熔鹽冷卻液態燃料快堆和熔鹽冷卻固態燃料堆。

世界上有多個國家致力于釷基熔鹽堆的研究。具有中國特色的釷基熔鹽實驗堆已經在甘肅武威投入試運行。概括起來，釷基熔鹽堆具有固有安全性、核廢料少、用途廣泛以及物理防核擴散等方面的優勢。

引領未來的第四代核能系統具有更好的前景，也具有更大的挑戰。只有早布局，才能爭取主動！根據第四代核能系統國際論壇設定的目標，這些先進的核反應堆系統有望在2030年前后投入應用，屆時將為人類帶來更清潔、更安全、更高效、更經濟的可持續性核能。