快堆，高效利用鈾資源，保障核燃料供應(yīng)安全——專訪我國快堆首席專家徐銤院士

快堆，高效利用鈾資源，保障核燃料供應(yīng)安全
——專訪我國快堆首席專家徐銤院士

Fast Reactor can Effectively Use of Uranium Resources to Ensure the Security of Nuclear Fuel Supply——Interview with Academician XU Mi，Chief Expert in
the Field of Fast Reactor

編者按：“快堆”是“鈉冷快中子反應(yīng)堆”的簡稱，是世界上第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的首選堆型，代表了第四代核能系統(tǒng)的發(fā)展方向?？於训暮巳剂祥]合式循環(huán)，可使鈾資源利用率提高至60%以上，也可使長壽命核廢料產(chǎn)生量得到最大程度地降低，實(shí)現(xiàn)放射性廢物最小化。國際社會普遍認(rèn)為，發(fā)展和推廣快堆，可以從根本上解決世界能源的可持續(xù)發(fā)展和綠色發(fā)展問題。

徐 銤 中國工程院院士、中國核工業(yè)集團(tuán)公司快堆首席專家，中國原子能科學(xué)研究院快堆工程部總工程師(1996-2012)，國家能源工程快堆工程研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心學(xué)術(shù)委員會副主任。徐銤是中國快堆事業(yè)的開拓者和奠基人之一。

遠(yuǎn)見卓識，與快堆結(jié)下不解之緣

《中國核電》：徐銤院士，您好！作為我國快堆方面的首席專家，請問您當(dāng)初是如何參與到研究快堆這一偉大事業(yè)中的？

徐銤：1955年，國家在北京西南郊區(qū)建設(shè)了新的核科研基地，代號為601所，就是后來的中國原子能科學(xué)研究院。國家把601所作為一個基礎(chǔ)核研究基地，當(dāng)時毛主席和周總理都非常重視。

1961年7月，我畢業(yè)于清華大學(xué)工程物理系核反應(yīng)堆工程專業(yè)，來到601所從事零功率實(shí)驗(yàn)裝置物理試驗(yàn)工作，渴望能為祖國的核事業(yè)貢獻(xiàn)自己的力量。1964年，為積極響應(yīng)黨中央的號召，作為那個時代的“下放干部”，我被下放到了信陽專區(qū)河南羅山縣，一年之后才回來。回來的時候，我所在的研究所已經(jīng)成立了多個專業(yè)小組來研究快堆，包括物理、鈉工藝、熱工水力、材料、燃料等。這個時候我國快堆處于基礎(chǔ)研究階段，而我對快堆領(lǐng)域還一無所知，所以就利用空閑時間跑圖書館查資料。從已經(jīng)發(fā)展快堆的國家發(fā)表的一些文章中我發(fā)現(xiàn)了快堆的優(yōu)點(diǎn)，比如快堆可以增殖，即裂變?nèi)剂峡梢栽綗蕉?，對此我非常感興趣。

1970年6月29日晚11點(diǎn)，這是一個具有重大意義的時刻，我們研究小組研制的快中子零功率實(shí)驗(yàn)裝置達(dá)到臨界。當(dāng)時研究小組有兩個運(yùn)行班，我是其中一個班的班長。臨界時，正趕上我所在的班值班，那是我一生難忘的時刻。這是我國第一個快中子零功率裝置達(dá)到臨界。

1971年，由于政治原因，國家將一些關(guān)鍵的、重要的研究工作轉(zhuǎn)移到四川的核工業(yè)一院，就是現(xiàn)在的中國核動力研究設(shè)計(jì)院。當(dāng)時快堆科研陷入了經(jīng)費(fèi)不足、方向不明確的窘境，研究人員一撥接著一撥離開，原本300余人的隊(duì)伍在短短一年中只剩下100多人。我選擇堅(jiān)持下來，繼續(xù)堅(jiān)持研究快堆工作。

1986年，國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）改變了快堆的命運(yùn)。當(dāng)時200多位專家匯聚北京，共同商討，我也參加了這一次決定快堆命運(yùn)的關(guān)鍵會議。討論會上，我作為快堆主要負(fù)責(zé)人之一，與其他同志一起提出了發(fā)展快堆的建議。發(fā)言后，與會專家對快堆項(xiàng)目發(fā)展前景及戰(zhàn)略意義開展了廣泛的討論，最終我們快堆獲得了最多的經(jīng)費(fèi)，快堆作為能源領(lǐng)域的項(xiàng)目納入了國家“863計(jì)劃”。國家給了快堆項(xiàng)目3.9億的經(jīng)費(fèi)，其他的還有高溫氣冷堆和聚變裂變混合堆等，經(jīng)費(fèi)相對少一些，可以看出，國家對快堆的發(fā)展是非常重視的。

內(nèi)外有援，實(shí)現(xiàn)快堆跨越式發(fā)展

《中國核電》：我國快堆的建設(shè)經(jīng)歷了怎樣的過程，請您簡單解答一下。徐銤：可以說，“863計(jì)劃”對快堆的發(fā)展是一個非常大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這個項(xiàng)目還得到了時任國家科技委主任宋健的支持，他認(rèn)為中國實(shí)驗(yàn)快堆是個重要項(xiàng)目，所以他召集當(dāng)時的計(jì)委（現(xiàn)在的發(fā)改委）、科技委（現(xiàn)在的科技部），還有核工業(yè)部（現(xiàn)在的中核集團(tuán)）一起湊了3億多經(jīng)費(fèi)。之后在中國原子能科學(xué)研究院重新組建快堆小組。

1990年，我們開始進(jìn)行中國實(shí)驗(yàn)快堆概念設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)不夠，一開始團(tuán)隊(duì)對快堆技術(shù)了解得不夠透徹，需要不斷地摸索，所以花費(fèi)了大量的時間。這個時候，俄羅斯的專家在北京核工業(yè)展覽會上了解到我國正在研制快堆，希望與我方合作，而我們也希望有專家指導(dǎo)，雙方達(dá)成一致。首先的合作內(nèi)容是俄方審閱我們的概念設(shè)計(jì)，對我方的概念設(shè)計(jì)提了幾條意見，當(dāng)然也贊成我們選擇的一些運(yùn)行參數(shù)，這些參數(shù)比較接近原型快堆的參數(shù)。法國也是有建造快堆豐富經(jīng)驗(yàn)的國家，也贈送給我們6個快堆專業(yè)的設(shè)計(jì)程序，并培養(yǎng)我們的技術(shù)人員學(xué)會使用。我國實(shí)驗(yàn)快堆在俄羅斯機(jī)械制造試驗(yàn)設(shè)計(jì)局、俄羅斯核動力設(shè)計(jì)院和俄羅斯動力研究院合作下自主設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行。我們也從俄方購買了一些關(guān)鍵的安全設(shè)備，如泵、蒸汽發(fā)生器、控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)、燃料操作機(jī)等，即便如此，建造快堆設(shè)備的國產(chǎn)化率仍在70%以上。

按照正常的進(jìn)度，建成實(shí)驗(yàn)快堆后，下一步應(yīng)該依次做原型快堆、示范快堆，最后設(shè)計(jì)、建造商用大堆。借助于俄方有關(guān)實(shí)驗(yàn)快堆的經(jīng)驗(yàn)支持，我們選擇中國實(shí)驗(yàn)快堆的主要參數(shù)盡量接近大堆，把原型快堆跳過去直接做示范快堆。目前該堆正在設(shè)計(jì)，將于2017年底開始建造。

節(jié)能減排，堅(jiān)持核能利用的可持續(xù)發(fā)展

《中國核電》：請您介紹一下快堆對我國核電發(fā)展有哪些重要意義？

徐銤：快堆對我國有多重要呢？如果沒有快堆的話，我國未來核能發(fā)展會很受限制。大家普遍認(rèn)為我國鈾資源比較豐富，但是我國未來需要建設(shè)大量的壓水堆核電站，同時就需要充足的鈾資源，而現(xiàn)有的鈾資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。一座100萬千瓦的壓水堆，運(yùn)行60年需要1萬噸天然鈾；如果我國在未來30年需要建設(shè)200個百萬千瓦級壓水堆，就需要200萬噸天然鈾，這是相當(dāng)大的量。國際上，天然鈾的價(jià)格高達(dá)130～260美元/千克鈾（目前的價(jià)格是20～40美元/千克鈾），國際產(chǎn)量也就只有500～700多萬噸，所以我們要用200萬噸鈾資源不太可能實(shí)現(xiàn)。如果我國的鈾資源主要依靠進(jìn)口，若出現(xiàn)問題，就會導(dǎo)致我們200個百萬千瓦級的壓水堆核電站停堆，后果不堪設(shè)想。所以，不能依靠國外的鈾資源來支撐我國未來所有的核電站。

發(fā)展快堆則解決了這個問題，壓水堆用的是天然鈾中僅占0.7%的235U，但在天然鈾中占93%的238U在吸收中子后會衰變成裂變材料钚。將壓水堆產(chǎn)生的钚裝在快堆中運(yùn)行，功率較大的快堆就能增殖钚，也就是钚越“燒”越多。這一過程真正消耗的是238U，把238U變成了裂變的材料，相當(dāng)于變廢為寶。如果單單是壓水堆，利用率僅有0.5%～1%，有了快堆以后，天然鈾利用率能夠達(dá)到60%～70%。

我國目前還面臨一個很重要的問題：霧霾。霧霾的產(chǎn)生原因是什么？是二氧化碳，我國人口眾多，我國排放的二氧化碳是最多的；每生產(chǎn)1度電，排放的二氧化碳也是最多的。第三次政府間氣候變化專門委員會做出了決定：在2050年到2100年間，各國要把二氧化碳的排放降到現(xiàn)在的一半，如果不能做到，可能會被他國收取碳稅。在各種清潔能源中，從整個生產(chǎn)鏈產(chǎn)生的碳當(dāng)量講，核能是每度電排放量最少的。所以我們應(yīng)大力發(fā)展壓水堆核電站，盡快建起大型的增殖快堆，到2035年，將大型商用快堆投入運(yùn)行。我們的目標(biāo)是從2020年開始設(shè)計(jì)，用15年的時間建造一個120萬千瓦的大堆。為什么是120萬千瓦？因?yàn)榉▏?、俄羅斯、日本都是120萬千瓦，便于互相之間交流學(xué)習(xí)。我國應(yīng)根據(jù)自身優(yōu)勢，揚(yáng)長避短，發(fā)展快堆，提高鈾資源的利用效率，對緩解我國的能源危機(jī)、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)有著至關(guān)重要的作用。

安全至上，縱深防御消除顧慮

《中國核電》：目前，核電的安全性受到公眾廣泛的關(guān)注，請您談一談快堆的安全是如何保障的？

徐銤：從1960年起世界范圍內(nèi)開始建造的快堆全都是鈉冷快堆，一共有21座，所有快堆運(yùn)行過程中，沒有發(fā)生過一起放射性鈉泄漏事故。

快堆中最令人顧慮和擔(dān)憂的是鈉水反應(yīng)，所有設(shè)備中僅蒸汽發(fā)生器中有水，管外的鈉不是一回路的放射性鈉，而是幾乎無放射性的二回路鈉。換熱管萬一泄漏就會發(fā)生鈉水反應(yīng)。實(shí)際上，這是在可控范圍內(nèi)的，反應(yīng)堆不僅按核安全級的設(shè)計(jì)和建造，而且安裝有多種探測器，如果發(fā)生工業(yè)事故——鈉火或鈉水反應(yīng)，只要保證有放射性的鈉不會泄漏出去即可。具體是這樣控制的：一回路有一個直徑為8 m的大鈉池，外面還套有一個相同厚度材料的保護(hù)池；內(nèi)部池里有260 t的鈉，一旦泄漏到保護(hù)池底部，兩個池中間的探測器會立即探測到，并且外部池會兜住這些鈉。換句話說，260 t的放射性鈉不會對外部環(huán)境造成影響。

另外一個問題是，我們要把鈉抽出來放到另外一個小房間去凈化，將鈉凈化到雜質(zhì)在3 ppm以下，這樣鈉在接觸不銹鋼時，不銹鋼每年僅腐蝕5μm，而池壁的厚度是25 mm，絕對不會腐蝕穿透不銹鋼。房間內(nèi)的裝鈉管道是雙層管，所以有雙重保障，不會漏鈉。有人擔(dān)心，鈉可能通過管道內(nèi)的一些設(shè)備泄漏出來，這個顧慮也是可以消除的，首先這個房間是密閉的，一旦大量泄漏，馬上充入氮?dú)猓蛘邷p送風(fēng)量、增抽風(fēng)量，鈉就逐漸不再燃燒了。其次，在管道底下放一個接鈉盤，這個盤子呈傘狀，如果鈉落到傘上就從管子流到接鈉盤中，所漏出的93%到97%的鈉，都會保存在盤子里；再加上管道里的氧很少，因此不易燃燒。就算發(fā)生鈉火，通過探測器可以探測到，馬上處理就沒有問題。至于二回路的鈉，幾乎沒有放射性，出了問題也純粹屬于工藝事故。

現(xiàn)在還有一個大家比較擔(dān)心的問題，就是霧火。它噴出來后會很快燃燒。如果空氣比較潮濕，120 ℃、110 ℃就可能燃燒。原來沒有一個快堆遇到過這種情況。但是比利時在做太陽能設(shè)備試驗(yàn)的時候，由于壓力過高而發(fā)生了霧火。我們的處理方法是，假如發(fā)生霧火，房間一旦壓力大了，房門會自動打開，將氣體釋放到另外一個房間而減壓。另外，管道的設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，使用雙層管，并放一些探測絲以便及時探測，多重保障萬無一失。這一層一層的探測保護(hù)措施稱之為“縱深防御”。

中國實(shí)驗(yàn)快堆堆芯熔化的概率是10－6/堆年。即使熔化，也不會發(fā)生蒸汽爆炸，因?yàn)殁c的導(dǎo)熱能力非常強(qiáng)，是水的130倍。一旦堆芯熔化，向下流動接觸鈉時溫度大約是450 ℃，還需上升433 ℃以上才能夠變成蒸汽，由于鈉冷卻非?？?，導(dǎo)出大量熱量，溫度無法達(dá)到臨界點(diǎn)，因此不會產(chǎn)生蒸汽爆炸。堆芯熔化后流到一個傘形的大盤子里，為防止二次臨界，傘形將熔融的堆芯自動鋪開，鈉的自然對流把熱量帶走，放射性物質(zhì)就在池子里，不會泄漏，即最強(qiáng)的放射性物質(zhì)會限制在堆容器（鈉池）以內(nèi)。可以看出，縱深防御的理念始終貫穿整個設(shè)計(jì)周期。

任重道遠(yuǎn)，顧全大局發(fā)展核電

《中國核電》：目前，我國在發(fā)展核電過程中遇到一些阻礙，請您談?wù)勎覀儜?yīng)該如何看待核電的發(fā)展？

徐銤：國際上，現(xiàn)在美國不愿意建設(shè)大的快堆，也不鼓勵國外建大的快堆，因?yàn)榭於旬a(chǎn)生的239Pu是核武器的原料。美國主張建造一些小模塊式的快堆，但是俄羅斯、法國、日本、韓國、印度不這樣認(rèn)為。中國、俄羅斯、法國、日本、印度、韓國現(xiàn)在都不會放棄快堆，尤其像中國這樣需要能源大量的國家，要想不受制于人，就必須把快堆建成。我們有信心，也有能力！

我國對建設(shè)核電站是有嚴(yán)格的安全要求的：第一，要保證隨時可以停堆；第二，發(fā)生事故時余熱一定要能導(dǎo)出去；第三，不能污染環(huán)境。現(xiàn)在在建的以及未來要建的核電站都必須達(dá)到這三個要求。目前，由于公眾關(guān)于核電知識的普及不夠，導(dǎo)致我國內(nèi)陸廠址無法開始。我認(rèn)為，核電站在設(shè)計(jì)時就要保證不會污染環(huán)境。如果將含放射性的廢水變成膠體或者固體，就不易污染環(huán)境。其次，核電站還是應(yīng)該規(guī)?；ㄔO(shè)起來，因?yàn)槟壳皼]有別的清潔能源可供使用。太陽能、風(fēng)能在生產(chǎn)裝置設(shè)備時釋放出來的二氧化碳要比核能高。原因是因?yàn)檫@些能源密度小，需要的設(shè)備量就大，占地面積也大；而核能密度大，生產(chǎn)同樣的電能，核能需要生產(chǎn)鏈的設(shè)備少，放出的二氧化碳就少，占地面積也小。根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)的評估，核能排放的二氧化碳是最低的，風(fēng)能放出的二氧化碳大約是核電的兩倍多，所以發(fā)展核電是現(xiàn)階段環(huán)保的首選。

我認(rèn)為，核電發(fā)展不單單是一個技術(shù)性問題，也是國家的問題。如果是國家小，能源可以依賴進(jìn)口，比如意大利；而我國則不同，無法輸入電能。輸入石油和天然氣有一定風(fēng)險(xiǎn)，所以應(yīng)該把精力放在國家的需要上，把我國真正的能量發(fā)揮出來，這是最穩(wěn)妥的。核能在一個國家不僅僅是能源，還代表一個國家的綜合國力。目前，“一帶一路”的很多沿線國家都希望能夠發(fā)展核能，這樣就給我國的核電發(fā)展提供了一個很好的機(jī)遇。我國核電開發(fā)與建設(shè)已形成自己的特色，自主研發(fā)的第三代百萬千瓦級核電機(jī)組“華龍一號”目前已經(jīng)走出國門，形成自己的品牌。因此，我國核電發(fā)展應(yīng)該從國家的角度考慮，要充分發(fā)揮這種顧全大局的精神。面對爭議，我們應(yīng)該用辯證的眼光看待，求同存異，審時度勢，從大局出發(fā)，謀求長期效益。

（本刊記者 王丹）