我国实验快堆技术及存在的关键问题

1、我国实验快堆技术及存在的问题 陈俊豪核科学与技术学院摘 要：随着核能发展和应用，核反应堆的可靠性、安全性和经济性等不断改进和提高。为迎接21世纪核能的发展，美国于2000年提出了第四代先进核能系统，包括六种有应用前景的核反应堆系统，其中有三种是快堆。我国已经开始工程技术发展的钠冷快堆就是其中一种。我国快堆技术历经上世纪60年代中后期起的基础研究，纳入国家八六三高技术计划后的应用基础研究，正在建造65MW中国实验快堆，该堆计划于2009年首次临界。我国钠冷快堆的技术路线和发展目标与第四代先进核能系统的发展目标是一致的。钠冷快堆是当今唯一现实的核燃料增殖的堆型，发展快堆利相关的燃料循环可将铀资源的

2、利用率从单单发展压水堆的1%左右提高到6070%。快堆是我国核能可持续人规模安全供应和替代化石燃料、减少C02排放的关键堆型。 关键词：中国 实验快堆 发展现状 存在问题 1 引言 我国的核电虽刚进入起步阶段, 但随着核电的发展, 铀资源的要求将不断增加。然而铀资源是有限的, 天然铀中235U 只占0. 71 %左右, 必须要在发展压水堆核电站的同时将快中子增殖堆(快堆) 技术发展起来, 用这种堆型快速增殖核燃料, 使核电容量增长无燃料匮乏之忧。 核电站的发展将逐渐积累起长寿命稀有锕系核素, 这些放射性物质要衰变三、四百万年才能达到天然铀的水平, 绝非常规包装、埋藏所能安全处置的, 较现实的方

3、法是放在快堆中当作燃料烧掉, 使之变成一般裂变产物。因此把快堆技术发展起来可以消除发展核能的环境影响之虑。 上述快堆的两大用途, 决定了快堆在闭式钚2铀燃料循环中的重要地位。现在, 我国快堆技术正在国家高技术863计划的领导下进行开发, 作为快堆工程发展的第一步。 在第四代核能国际论坛提出的6种堆型中，有3种是快堆。快堆是未来核电站的发展方向。我国目前正在建设实验快堆，示范快堆电站建设也在积极准备，技术路线为钠冷快堆。我国钠冷快堆的技术选择和战略目标与第四代先进核能系统的目标要求总体上是一致的，而高增殖能力更符合我国需要。中国实验快堆即将建成，在此基础上，瞄准未来先进核能技术的需要，研发具有快

4、堆特征的快堆电站，应是我国第四代核能技术研发的重点。 今后大规模发展核能需要快堆与压水堆匹配发展。作为我国第四代核能技术的研发重点，快堆研发应纳入国家重大项目专项，以保证经费的投入。发展快堆技术，应根据我国核电发展的需求和应用目标，逐步落实快堆中长期发展规划，明确下一阶段的快堆技术工程目标和实施途径。闭合核燃料循环是快堆核能系统的基础，在重点进行快堆技术研发的同时，应重点开展压水堆乏燃料后处理、MOX燃料制造及快堆乏燃料后处理等技术的研发。2 历史2.1 基础研究阶段(19651987) 在基础研究阶段以快堆物理、热工、材料、元件、钠工艺和小型钠设备为重点, 建成了约12 台套的实验装置和钠回

5、路, 其中包括50kg 235U 的快中子零功率装置。该装置于1970年6 月28 日达到首次临界。2.2 应用基础研究阶段(19871993) 在应用基础研究阶段以一座65MW 热功率( 装机25MW 电功率) 的实验快堆为工程目标, 开展了以钠工艺、燃料和材料、快堆安全、部分钠设备和快堆设计的研究工作, 建成了约20 台套的实验装置和钠回路, 为实验快堆的设计建造打下了初步基础。2.3 设计实验验证阶段(1995至今) 在CEFR 的概念设计完成后, 进入了设计实验验证阶段。首先, 以工程钠回路技术为重点, 从意大利引进了两条钠回路ESPRESSO (钠流量110m3/ h , 最高钠温6

6、50 ) 和CEDI ( 钠流量320m3/ h , 最高钠温650 ) , 经再设计和再建造, 现已将总共15t 钠装入两条钠回路的贮存罐, 正在进行回路启动的准备。 其次, 针对CEFR 堆芯概念设计, 已在俄罗斯(简称俄) 物理和动力工程研究院完成了零功率模拟实验, 确认了实验快堆堆芯特点和校验了计算程序。最后, 针对CEFR 的初步设计, 已分别在国内和俄安排了20 余项设计试验验证。例如CEFR 堆芯施工设计的零功率模拟、CEFR 的非能动余热排出系统及与在俄订货的设备等有关试验验证在俄进行, 其它如材料、钠火监测和扑灭、钠水反应监测、国内制造的钠设备、控制设计等试验验证在国内进行。

7、3 发展现状 为了核能可持续供应和应用，热堆快堆聚变堆逐步发展方式早已确定为我国核能发展的基本战略。就裂变能而言，作为增殖堆的快堆对有效利用核资源将起重大作用和作为燃烧堆嬗变次量锕系核素（MA），并且用更有效的燃烧堆加速器驱动次临界系统（ADS）进行嬗变，可使需地质深埋的高放废物尽量减少。 按我国快堆发展的战略研究，快堆工程发展将分3 步进行： 1） 中国实验快堆（CEFR），功率65 MWt20 MWe； 2）中国原型/示范快堆（CPFR/CDFR），功率大于1 500 MWt/600 MWe； 3）中国大型增殖快堆（CDFBR），功率2 5003 750 MWt1 0001 500 MWe

8、。 CEFR 正在“八六三”高技术计划下实施，目前正处在安装和调试阶段，计划2009 年首次临界。CPFR 作为20062020 年重大专项计划提出，目标是2020 年建造完成，最近，正在讨论加大CPFR的功率规模，甚至作为CDFR 以加快我国快堆商用化的进度。在 CPFRCDFR 之后，有两种可能，一是如果发现铀资源短缺，不能支持压水堆的发展，则一址多堆的推广CPFR CDFR， 作为增殖快堆（CCFR-B）约在2030 年建成。另一可能性是，如果MA 和LLFP 分离技术和掺MA 燃料,LLFP 元件的制造和嬗变技术有了足够的经验，且更有效的嬗变装置ADS 技术尚未发展到应用阶段，则一址多

9、堆的推广CPFRCDFR 作为嬗变快堆（CCFR-T）约在2030 年建成。 为了缩短从 CEFR 到CDFBR 的反应堆工程发展周期和减小发展中的技术经济风险，考虑了这些堆的主要技术选择的延续性（如冷却剂，一回路结构，余热导出系统，燃料操作系统等），对于燃料的选择MOX 燃料将作为过渡燃料，甚至作为CEFR和CPFR 的基础燃料。U-Pu-Zr 燃料将作为CDFBR和中国商用快堆CCFBR 以获得最高的增值利益。 利用高温燃料处理和喷注制造设施与快堆可共为一址这一做法有利于防核扩散的需要。燃料循环系统正在逐步发展.一座100 t/a PWR后燃料中试厂和一座500 kg/a MOX 生产实验

10、室正在建造中,预计2010 年前运行，800 t/a 工业规模后处理厂正在设计，工业规模40 t/a MOX 厂正处在建议阶段，设想于2020 年前运行。4 我国快堆技术存在的问题及改进建议为积极发展我国第四代核能技术，从国家层面，应统筹规划，做好顶层设计，安排好第四代核能技术研发的近、中、远期工作计划。为加快我国第四代核能技术的研发，建议采取以下几方面的措施：4.1加大对第四代核能技术研发的投入 国际上对第四代核能技术研发的目标是在2030 年实现商用化，为使我国第四代核能技术赶上国际先进水平，应加大对第四代核能技术研发的经费投入，在国家科技攻关计划、863 计划等方面为“第四代核能技术”设

11、置经费渠道，以扶持关键技术研发。 快堆作为我国第四代核能技术的重点研发堆型,应保障对快堆研究平台建设的投入力度，使快堆研究平台的建设能够按计划分阶段顺利进行。同时也为原型快堆工程的开展做好充分的前期技术研究与储备，使原型快堆工程能够顺利展开。由于超临界水堆研究开发工作量大，任务艰巨，需要开展设计、程序开发、试验验证、国际合作等工作，因此，需要国家给予足够的经费支持。4.2 加强配套条件与基础设施建设 快堆技术的研发除先进的反应堆技术外，还需要相关的配套条件和设施，如设备制造、先进燃料组件制造、后处理以及开展先进反应堆关键技术研究所需的试验平台等。目前我国研发第四代核能技术的配套条件和设施还不够

12、完善，如快堆所需的一些关键设备仍需进口，后处理技术尚不能满足快堆发展的需求，因此，急需加强相关配套条件和基础设施的建设。从现在开始，应逐步建立起满足核能可持续发展需要的相关基础核设施，如发展快堆和闭式燃料循环，进行快中子堆燃料和材料的开发所需的快中子谱辐照设施，后处理示范设备，先进燃料元件制造示范设备，以及快堆燃料元件制造车间等。4.3 完善项目组织管理与实施 快堆技术是先进、复杂的技术，为尽快研发出我国快堆技术，争取在2030 年达到商用水平，一方面要抓紧时间进行研发，确保进度；另一方面，要完善项目组织管理与实施，充分发挥国内相关研发单位的力量。组织方面，可以在有关部门的统一指挥和领导下，实

13、行合同制。确定项目总负责单位，总负责单位与有关部门签定科研总包合同，全面负责研发工作，在管理和技术上对上级主管部门负责。各项目总负责单位根据科研工作的实际情况，将需要外协的课题分解到相应的参研单位，并签定科研分包合同，发挥相关设计院、研究所、高等院校、设备制造厂各自的优势，各尽所长。4.4 积极开展国际交流与合作 在以美国为首，有英国、法国、日本等多个国家参与提出的快堆系统开发计划中，明确提出，从未来核电技术的国际化、市场份额和研究开发的资金等角度出发，以往依靠一国单独封闭的技术开发已经不符合时代的需求，希望在快堆技术的开发中加强国际合作研究开发和交流，并提出了相应的多边合作研究计划，倡导国际

14、多边合作。因此，我们应在“以我为主”的基础上，积极开展国际交流与合作，在一些技术难度大、国内技术基础薄弱的技术上考虑引进技术、中外合作的方式。5 快堆发展展望 通过我国实验快堆的设计、建造和运行试验, 我们将获得钠冷池式快堆一套比较完整的设计、建造规范和标准; 一套包括物理、屏蔽、热工、力学、回路、元件、安全分析等比较完整的, 经实验快堆验证的设计程序。并且, 这座实验快堆将用作快中子辐照装置对高燃耗高增殖及掺锕燃料进行辐照考验和开发,该堆预计于“十五”期间建成并投入运行。按照七五期间在高技术计划领导下制定的我国快堆发展规划, 十五初期即将开始我国快堆工程发展第二步模块快堆电站的原型堆设计, 争取2015