1、我國實驗快堆技術及存在的問題 陳俊豪核科學與技術學院摘 要：隨著核能發(fā)展和應用，核反應堆的可靠性、安全性和經(jīng)濟性等不斷改進和提高。為迎接21世紀核能的發(fā)展，美國于2000年提出了第四代先進核能系統(tǒng)，包括六種有應用前景的核反應堆系統(tǒng)，其中有三種是快堆。我國已經(jīng)開始工程技術發(fā)展的鈉冷快堆就是其中一種。我國快堆技術歷經(jīng)上世紀60年代中后期起的基礎研究，納入國家八六三高技術計劃后的應用基礎研究，正在建造65MW中國實驗快堆，該堆計劃于2009年首次臨界。我國鈉冷快堆的技術路線和發(fā)展目標與第四代先進核能系統(tǒng)的發(fā)展目標是一致的。鈉冷快堆是當今唯一現(xiàn)實的核燃料增殖的堆型，發(fā)展快堆利相關的燃料循環(huán)可將鈾資源的

2、利用率從單單發(fā)展壓水堆的1%左右提高到6070%。快堆是我國核能可持續(xù)人規(guī)模安全供應和替代化石燃料、減少C02排放的關鍵堆型。 關鍵詞：中國 實驗快堆 發(fā)展現(xiàn)狀 存在問題 1 引言 我國的核電雖剛進入起步階段, 但隨著核電的發(fā)展, 鈾資源的要求將不斷增加。然而鈾資源是有限的, 天然鈾中235U 只占0. 71 %左右, 必須要在發(fā)展壓水堆核電站的同時將快中子增殖堆(快堆) 技術發(fā)展起來, 用這種堆型快速增殖核燃料, 使核電容量增長無燃料匱乏之憂。 核電站的發(fā)展將逐漸積累起長壽命稀有錒系核素, 這些放射性物質要衰變三、四百萬年才能達到天然鈾的水平, 絕非常規(guī)包裝、埋藏所能安全處置的, 較現(xiàn)實的方

3、法是放在快堆中當作燃料燒掉, 使之變成一般裂變產(chǎn)物。因此把快堆技術發(fā)展起來可以消除發(fā)展核能的環(huán)境影響之慮。 上述快堆的兩大用途, 決定了快堆在閉式钚2鈾燃料循環(huán)中的重要地位?，F(xiàn)在, 我國快堆技術正在國家高技術863計劃的領導下進行開發(fā), 作為快堆工程發(fā)展的第一步。 在第四代核能國際論壇提出的6種堆型中，有3種是快堆。快堆是未來核電站的發(fā)展方向。我國目前正在建設實驗快堆，示范快堆電站建設也在積極準備，技術路線為鈉冷快堆。我國鈉冷快堆的技術選擇和戰(zhàn)略目標與第四代先進核能系統(tǒng)的目標要求總體上是一致的，而高增殖能力更符合我國需要。中國實驗快堆即將建成，在此基礎上，瞄準未來先進核能技術的需要，研發(fā)具有快

4、堆特征的快堆電站，應是我國第四代核能技術研發(fā)的重點。 今后大規(guī)模發(fā)展核能需要快堆與壓水堆匹配發(fā)展。作為我國第四代核能技術的研發(fā)重點，快堆研發(fā)應納入國家重大項目專項，以保證經(jīng)費的投入。發(fā)展快堆技術，應根據(jù)我國核電發(fā)展的需求和應用目標，逐步落實快堆中長期發(fā)展規(guī)劃，明確下一階段的快堆技術工程目標和實施途徑。閉合核燃料循環(huán)是快堆核能系統(tǒng)的基礎，在重點進行快堆技術研發(fā)的同時，應重點開展壓水堆乏燃料后處理、MOX燃料制造及快堆乏燃料后處理等技術的研發(fā)。2 歷史2.1 基礎研究階段(19651987) 在基礎研究階段以快堆物理、熱工、材料、元件、鈉工藝和小型鈉設備為重點, 建成了約12 臺套的實驗裝置和鈉回

5、路, 其中包括50kg 235U 的快中子零功率裝置。該裝置于1970年6 月28 日達到首次臨界。2.2 應用基礎研究階段(19871993) 在應用基礎研究階段以一座65MW 熱功率( 裝機25MW 電功率) 的實驗快堆為工程目標, 開展了以鈉工藝、燃料和材料、快堆安全、部分鈉設備和快堆設計的研究工作, 建成了約20 臺套的實驗裝置和鈉回路, 為實驗快堆的設計建造打下了初步基礎。2.3 設計實驗驗證階段(1995至今) 在CEFR 的概念設計完成后, 進入了設計實驗驗證階段。首先, 以工程鈉回路技術為重點, 從意大利引進了兩條鈉回路ESPRESSO (鈉流量110m3/ h , 最高鈉溫6

6、50 ) 和CEDI ( 鈉流量320m3/ h , 最高鈉溫650 ) , 經(jīng)再設計和再建造, 現(xiàn)已將總共15t 鈉裝入兩條鈉回路的貯存罐, 正在進行回路啟動的準備。 其次, 針對CEFR 堆芯概念設計, 已在俄羅斯(簡稱俄) 物理和動力工程研究院完成了零功率模擬實驗, 確認了實驗快堆堆芯特點和校驗了計算程序。最后, 針對CEFR 的初步設計, 已分別在國內和俄安排了20 余項設計試驗驗證。例如CEFR 堆芯施工設計的零功率模擬、CEFR 的非能動余熱排出系統(tǒng)及與在俄訂貨的設備等有關試驗驗證在俄進行, 其它如材料、鈉火監(jiān)測和撲滅、鈉水反應監(jiān)測、國內制造的鈉設備、控制設計等試驗驗證在國內進行。

7、3 發(fā)展現(xiàn)狀 為了核能可持續(xù)供應和應用，熱堆快堆聚變堆逐步發(fā)展方式早已確定為我國核能發(fā)展的基本戰(zhàn)略。就裂變能而言，作為增殖堆的快堆對有效利用核資源將起重大作用和作為燃燒堆嬗變次量錒系核素（MA），并且用更有效的燃燒堆加速器驅動次臨界系統(tǒng)（ADS）進行嬗變，可使需地質深埋的高放廢物盡量減少。 按我國快堆發(fā)展的戰(zhàn)略研究，快堆工程發(fā)展將分3 步進行： 1） 中國實驗快堆（CEFR），功率65 MWt20 MWe； 2）中國原型/示范快堆（CPFR/CDFR），功率大于1 500 MWt/600 MWe； 3）中國大型增殖快堆（CDFBR），功率2 5003 750 MWt1 0001 500 MWe

8、。 CEFR 正在“八六三”高技術計劃下實施，目前正處在安裝和調試階段，計劃2009 年首次臨界。CPFR 作為20062020 年重大專項計劃提出，目標是2020 年建造完成，最近，正在討論加大CPFR的功率規(guī)模，甚至作為CDFR 以加快我國快堆商用化的進度。在 CPFRCDFR 之后，有兩種可能，一是如果發(fā)現(xiàn)鈾資源短缺，不能支持壓水堆的發(fā)展，則一址多堆的推廣CPFR CDFR， 作為增殖快堆（CCFR-B）約在2030 年建成。另一可能性是，如果MA 和LLFP 分離技術和摻MA 燃料,LLFP 元件的制造和嬗變技術有了足夠的經(jīng)驗，且更有效的嬗變裝置ADS 技術尚未發(fā)展到應用階段，則一址多

9、堆的推廣CPFRCDFR 作為嬗變快堆（CCFR-T）約在2030 年建成。 為了縮短從 CEFR 到CDFBR 的反應堆工程發(fā)展周期和減小發(fā)展中的技術經(jīng)濟風險，考慮了這些堆的主要技術選擇的延續(xù)性（如冷卻劑，一回路結構，余熱導出系統(tǒng)，燃料操作系統(tǒng)等），對于燃料的選擇MOX 燃料將作為過渡燃料，甚至作為CEFR和CPFR 的基礎燃料。U-Pu-Zr 燃料將作為CDFBR和中國商用快堆CCFBR 以獲得最高的增值利益。 利用高溫燃料處理和噴注制造設施與快堆可共為一址這一做法有利于防核擴散的需要。燃料循環(huán)系統(tǒng)正在逐步發(fā)展.一座100 t/a PWR后燃料中試廠和一座500 kg/a MOX 生產(chǎn)實驗

10、室正在建造中,預計2010 年前運行，800 t/a 工業(yè)規(guī)模后處理廠正在設計，工業(yè)規(guī)模40 t/a MOX 廠正處在建議階段，設想于2020 年前運行。4 我國快堆技術存在的問題及改進建議為積極發(fā)展我國第四代核能技術，從國家層面，應統(tǒng)籌規(guī)劃，做好頂層設計，安排好第四代核能技術研發(fā)的近、中、遠期工作計劃。為加快我國第四代核能技術的研發(fā)，建議采取以下幾方面的措施：4.1加大對第四代核能技術研發(fā)的投入 國際上對第四代核能技術研發(fā)的目標是在2030 年實現(xiàn)商用化，為使我國第四代核能技術趕上國際先進水平，應加大對第四代核能技術研發(fā)的經(jīng)費投入，在國家科技攻關計劃、863 計劃等方面為“第四代核能技術”設

11、置經(jīng)費渠道，以扶持關鍵技術研發(fā)。 快堆作為我國第四代核能技術的重點研發(fā)堆型,應保障對快堆研究平臺建設的投入力度，使快堆研究平臺的建設能夠按計劃分階段順利進行。同時也為原型快堆工程的開展做好充分的前期技術研究與儲備，使原型快堆工程能夠順利展開。由于超臨界水堆研究開發(fā)工作量大，任務艱巨，需要開展設計、程序開發(fā)、試驗驗證、國際合作等工作，因此，需要國家給予足夠的經(jīng)費支持。4.2 加強配套條件與基礎設施建設 快堆技術的研發(fā)除先進的反應堆技術外，還需要相關的配套條件和設施，如設備制造、先進燃料組件制造、后處理以及開展先進反應堆關鍵技術研究所需的試驗平臺等。目前我國研發(fā)第四代核能技術的配套條件和設施還不夠

12、完善，如快堆所需的一些關鍵設備仍需進口，后處理技術尚不能滿足快堆發(fā)展的需求，因此，急需加強相關配套條件和基礎設施的建設。從現(xiàn)在開始，應逐步建立起滿足核能可持續(xù)發(fā)展需要的相關基礎核設施，如發(fā)展快堆和閉式燃料循環(huán)，進行快中子堆燃料和材料的開發(fā)所需的快中子譜輻照設施，后處理示范設備，先進燃料元件制造示范設備，以及快堆燃料元件制造車間等。4.3 完善項目組織管理與實施 快堆技術是先進、復雜的技術，為盡快研發(fā)出我國快堆技術，爭取在2030 年達到商用水平，一方面要抓緊時間進行研發(fā)，確保進度；另一方面，要完善項目組織管理與實施，充分發(fā)揮國內相關研發(fā)單位的力量。組織方面，可以在有關部門的統(tǒng)一指揮和領導下，實

13、行合同制。確定項目總負責單位，總負責單位與有關部門簽定科研總包合同，全面負責研發(fā)工作，在管理和技術上對上級主管部門負責。各項目總負責單位根據(jù)科研工作的實際情況，將需要外協(xié)的課題分解到相應的參研單位，并簽定科研分包合同，發(fā)揮相關設計院、研究所、高等院校、設備制造廠各自的優(yōu)勢，各盡所長。4.4 積極開展國際交流與合作 在以美國為首，有英國、法國、日本等多個國家參與提出的快堆系統(tǒng)開發(fā)計劃中，明確提出，從未來核電技術的國際化、市場份額和研究開發(fā)的資金等角度出發(fā)，以往依靠一國單獨封閉的技術開發(fā)已經(jīng)不符合時代的需求，希望在快堆技術的開發(fā)中加強國際合作研究開發(fā)和交流，并提出了相應的多邊合作研究計劃，倡導國際

14、多邊合作。因此，我們應在“以我為主”的基礎上，積極開展國際交流與合作，在一些技術難度大、國內技術基礎薄弱的技術上考慮引進技術、中外合作的方式。5 快堆發(fā)展展望 通過我國實驗快堆的設計、建造和運行試驗, 我們將獲得鈉冷池式快堆一套比較完整的設計、建造規(guī)范和標準; 一套包括物理、屏蔽、熱工、力學、回路、元件、安全分析等比較完整的, 經(jīng)實驗快堆驗證的設計程序。并且, 這座實驗快堆將用作快中子輻照裝置對高燃耗高增殖及摻錒燃料進行輻照考驗和開發(fā),該堆預計于“十五”期間建成并投入運行。按照七五期間在高技術計劃領導下制定的我國快堆發(fā)展規(guī)劃, 十五初期即將開始我國快堆工程發(fā)展第二步模塊快堆電站的原型堆設計, 爭取2015