這個(gè)“快堆”，它是跑的快么？

“熱堆——快堆——聚變堆”的核能“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略是我國(guó)的國(guó)家戰(zhàn)略。不僅在我國(guó)，“快堆”技術(shù)一直備受世界各國(guó)青睞，被視為解決未來(lái)能源短缺和減排問題的關(guān)鍵。那么，這項(xiàng)引人矚目的技術(shù)究竟為何物？

什么是快堆

快中子反應(yīng)堆(Fast Neutron Reactors)——簡(jiǎn)稱快堆，是一種以快中子引起易裂變核鈾-235或钚-239等裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的堆型。

那么什么是快中子呢？

中子（Neutrons）是一種不帶電的粒子，是組成原子核的核子之一。而快中子（Fast Neutrons）是指動(dòng)能在 1M eV~20M eV 范圍的自由中子，速度超過15000 km/s（約為光速的5%）。在核反應(yīng)堆中，快中子通常由重核的裂變反應(yīng)產(chǎn)生。快堆直接利用快中子引發(fā)易裂變核素裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，而我們常見的壓水堆、重水堆等則屬于熱中子反應(yīng)堆，即通過慢化劑將中子減速后，引發(fā)裂變反應(yīng)。

自由中子按照其動(dòng)能由低到高可分為冷中子、熱中子、超熱中子、共振中子、中能中子、快中子和相對(duì)論中子。中子輻射需要以富有氫核之物質(zhì)掩蔽，例如混凝土和水。核反應(yīng)堆是常見之中子放射源，通常以水作為有效的中子掩蔽物。

重核的裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)示意圖

2.快堆有什么優(yōu)點(diǎn)？

（1）增殖——解決鈾礦資源利用問題

在核反應(yīng)過程中，增殖（Breeding）是指在反應(yīng)堆中新生成的易裂變材料與消耗的易裂變材料更多，即增值比大于1。在快堆中，鈾-238吸收高速中子變?yōu)殁?239，并快速衰變?yōu)檩^為穩(wěn)定的钚-239，钚-239可作為與鈾-235相似的裂變?cè)稀Ｒ虼丝於训牧炎內(nèi)剂显缴僭蕉?，是?dāng)今唯一現(xiàn)實(shí)的增殖堆型。

當(dāng)前主流的壓水堆、沸水堆等熱中子堆都是利用鈾-235作為裂變?nèi)剂?，而?235只占天然鈾的0.7%左右。這樣“一次通過”（指燃料如鈾在反應(yīng)堆中只經(jīng)過一次裂變過程，沒有進(jìn)一步的燃料回收或再處理）只能利用鈾資源的0.45%左右，剩余的未利用資源多數(shù)是鈾-238。極低的利用率造成了鈾資源的“浪費(fèi)”，現(xiàn)有裂變核能只能是“百年能源”。

但是如果將壓水堆運(yùn)行后產(chǎn)生的工業(yè)钚和未燒盡的鈾-238作為快堆的燃料進(jìn)行多次循環(huán)，理論上能將鈾資源的利用率提高到100%。但考慮到工藝損耗，一般來(lái)說(shuō)至少可以達(dá)到60%～70%的利用率，即使如此，也是壓水堆燃料一次通過率的130～160倍，使得裂變核能成為“千年能源”。

天然鈾利用過程中產(chǎn)生的貧鈾核乏燃料中含有大量未被利用的鈾資源，乏燃料中還含有一定量的高放射性廢物。

（2）嬗變——解決核能環(huán)境安全問題

嬗變（Transmutation）是指用光子核亞原子例子束轟擊靶原子，引起核反應(yīng)的過程。這種將一種原子核轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N原子核的方法，簡(jiǎn)單來(lái)講就是“點(diǎn)石成金”。由于中子的穿透能力極強(qiáng)，各種能量的中子都可能引起核反應(yīng)，而且不同反應(yīng)、不同核素、不同中子能量的反應(yīng)截面（概率）相差很大，為選擇性嬗變提供了條件。

反應(yīng)堆或核電廠的乏燃料后處理會(huì)產(chǎn)生高放射性的廢液及其固化體（即高放射性廢物）。這些高放廢物的體積雖小，但放射性強(qiáng)、半衰期長(zhǎng)、毒性大，若使用“一次通過”的方式進(jìn)行處理，這些高放廢物的放射性毒性需要幾萬(wàn)年才能降低到天然水平。

快堆的中子能量高、通量密度高，是當(dāng)前可用于高放廢物“分離-嬗變”的成熟技術(shù)和現(xiàn)實(shí)方案。將高放廢物中的長(zhǎng)壽命放射性產(chǎn)物分離出來(lái)，再放入快堆中“焚燒”，就可以使得其放射性毒性在數(shù)百或數(shù)千年內(nèi)降低至天然水平。

圖3：快堆焚燒時(shí)間及放射毒性間關(guān)系圖

圖中所示可以看出，使用“快堆焚燒”可以大幅降低高放射性廢物的危害、縮短廢物處置時(shí)間。

3. 世界上都有哪些快堆？

國(guó)外快堆的發(fā)展至今已有半個(gè)世紀(jì)，美、俄、英、法、日、德、意、印、中等國(guó)均建有快堆設(shè)施，在全球范圍積累了超過400 堆·年的快堆運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)?？於炎鳛榈谒拇冗M(jìn)核能系統(tǒng)，在能源利用、環(huán)境安全等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。研究和建設(shè)快堆是未來(lái)一段時(shí)間全球裂變能源領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢(shì)。

美國(guó) —— 快堆技術(shù)研究的先驅(qū)

美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室建設(shè)了世界上第一座快中子增值堆——“實(shí)驗(yàn)增值堆一號(hào)（Experimental breeder reactor - I，EBR-I）”。該反應(yīng)堆于1951年落成并成功利用核反應(yīng)發(fā)電點(diǎn)亮了4只燈泡，這也是世界上首次實(shí)現(xiàn)核能發(fā)電。此后，美國(guó)還建設(shè)了“實(shí)驗(yàn)增值堆二號(hào)（EBR-II）”、費(fèi)米一號(hào)（Frime I）、“快通量實(shí)驗(yàn)設(shè)施（FFTF）”等利用和研究快中子反應(yīng)的核設(shè)施。

俄羅斯（蘇聯(lián)） —— 快堆商用的領(lǐng)導(dǎo)者

俄羅斯（蘇聯(lián)）的快中子堆研究始于BR-1，該反應(yīng)堆于 1955 年在奧布涅斯克的物理和動(dòng)力工程研究所開始服役。BR-1 反應(yīng)堆實(shí)現(xiàn)了 2.5 的燃料增殖比，驗(yàn)證了快堆在核燃料利用方面的廣闊前景。俄羅斯（蘇聯(lián)）在快堆商用上走在世界前列，位于別洛雅爾斯基(Beloyarsk)的核電廠是目前世界上唯一處于商運(yùn)狀態(tài)的快堆核電廠，其中部署了BN-600 和 BN-800 兩臺(tái)機(jī)組。俄羅斯未來(lái)還將建設(shè)鈉冷快堆 BN-1200、鉛冷快堆 BREST-OD-300 等機(jī)組。

俄羅斯鈉冷快堆BN1200

中國(guó)的快堆歷史 —— 先進(jìn)快堆技術(shù)的開拓者

1986 年，我國(guó)快堆技術(shù)開發(fā)納入國(guó)家“863”高技術(shù)計(jì)劃，最終建成了 65 MW 的快中子反應(yīng)堆——中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆（CEFR）。CEFR坐落于中國(guó)原子能科學(xué)研究院，于2011年并網(wǎng)發(fā)電。2014年10月，示范快堆工程項(xiàng)目總體規(guī)劃方案獲得國(guó)家批準(zhǔn)，2017年，其1號(hào)機(jī)組開工建設(shè)，2020年2號(hào)機(jī)組開工建設(shè)，至今已經(jīng)成功運(yùn)行將近10年時(shí)間，效益顯著。

如上圖所示，一體化閉式循環(huán)快堆核能系統(tǒng)（一體化快堆）指在同一廠址建設(shè)鈉冷快堆、干法處理廠、燃料制造廠和廢物處理設(shè)施，實(shí)現(xiàn)高效閉式燃料循環(huán)利用。一體化閉式循環(huán)快堆核能系統(tǒng)的研發(fā)和設(shè)計(jì)工作于2021年啟動(dòng)，2022年5月國(guó)家正式批復(fù)立項(xiàng)。計(jì)劃通過10-15年時(shí)間建成一體化快堆示范工程，實(shí)現(xiàn)我國(guó)先進(jìn)核能領(lǐng)域的重大科學(xué)和技術(shù)跨越，為建成世界核科技強(qiáng)國(guó)提供強(qiáng)大的科技支撐。

參考文獻(xiàn)

[1]無(wú)盡的能源一體化快堆. （美）C.E.蒂爾,（美）張潤(rùn)一.2020.

[2]快中子堆（現(xiàn)代物理知識(shí)）. 徐銤. 2018. (快中子堆)

[3]實(shí)驗(yàn)增值堆一號(hào)（Experimental Breeder Reactor I）. ASME. 1979. (https://www.asme.org/about-asme/engineering-history/landmarks/39-experimental-breeder-reactor-i)

[4]中核集團(tuán)示范快堆工程2號(hào)機(jī)組開工建設(shè). 國(guó)家原子能機(jī)構(gòu). 2020. (中核集團(tuán)示范快堆工程2號(hào)機(jī)組開工建設(shè))

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作者：蘇豪展 科普作者

審核：粱忠偉 廣州大學(xué)機(jī)電學(xué)院 副院長(zhǎng)