我國(guó)基于快堆的可持續(xù)核能系統(tǒng)發(fā)展思考

楊勇，王靜，徐銤

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

一、前言

（一）核能在我國(guó)的重要作用

核能作為世界上的主要能源之一，在支撐全球電力供應(yīng)以及CO2減排方面起到了至關(guān)重要的作用。根據(jù)中國(guó)核能行業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的我國(guó)2016年核電運(yùn)行報(bào)告，2016年我國(guó)核電的裝機(jī)容量?jī)H占總裝機(jī)容量的2%左右，發(fā)電量占全國(guó)總發(fā)電量的3.56%，其比例遠(yuǎn)低于世界平均水平。

高效發(fā)展核能與扶持發(fā)展其他可再生能源已經(jīng)成為我國(guó)的一個(gè)基本國(guó)策。核能作為一種能量密度高、潔凈、低碳的能源，肩負(fù)著確保能源安全、提高環(huán)境質(zhì)量的雙重使命。

根據(jù)中國(guó)工程院《中國(guó)能源中長(zhǎng)期（2030、2050）發(fā)展戰(zhàn)略研究咨詢項(xiàng)目》研究報(bào)告，我國(guó)核能在2030年要發(fā)展到2×108kW以上的裝機(jī)規(guī)模、2050年發(fā)展到4×108kW以上的裝機(jī)規(guī)模，裝機(jī)容量占總裝機(jī)容量的16%，發(fā)電量占總發(fā)電量的24%，由此帶來(lái)的CO2排放量可減少2.98×109t/a。

（二）核能發(fā)展面臨的問(wèn)題

目前我國(guó)的核電全部采用以壓水堆為主的熱中子反應(yīng)堆?？梢灶A(yù)計(jì)，到2030年或更長(zhǎng)一段時(shí)期，全球核能發(fā)電仍然普遍采用熱中子堆技術(shù)，壓水堆仍將占據(jù)主流堆型。雖然我國(guó)以壓水堆作為現(xiàn)階段的主要堆型，但是由于我國(guó)的鈾資源不是很豐富，要達(dá)到世界核電平均比例的裝機(jī)容量，鈾資源的需求量是十分巨大的。如果我國(guó)壓水堆發(fā)展到200 GWe的規(guī)模并保持到機(jī)組退役（60年），則我國(guó)累計(jì)需要約2×106t天然鈾，我國(guó)的核電發(fā)展將消耗世界經(jīng)濟(jì)開采鈾資源（見(jiàn)表1）的1/3,并積累大量的貧鈾。

核能發(fā)展的另一個(gè)問(wèn)題是高水平放射性廢物的安全處理與處置問(wèn)題，如壓水堆按照線性到2050年發(fā)展到200 GWe并保持這個(gè)裝機(jī)容量，可以預(yù)計(jì)在21世紀(jì)我國(guó)的壓水堆將累計(jì)產(chǎn)生2×105t以上的乏燃料，其中包含400 t左右的MA，即使衰變千年，根據(jù)其放射性毒性水平，風(fēng)險(xiǎn)仍然可達(dá)1012Sv的水平（見(jiàn)圖1）[1]。

二、可持續(xù)核能系統(tǒng)

核能不僅僅是優(yōu)化我國(guó)當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)，降低二氧化碳排放的重要能源之一，更要作為一個(gè)可持續(xù)的能源，發(fā)揮長(zhǎng)期作用。有關(guān)核能的可持續(xù)性，國(guó)際上有著不同的理解。根據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）的創(chuàng)新型核反應(yīng)堆和燃料循環(huán)國(guó)際項(xiàng)目（INPRO）的研究，所謂的先進(jìn)核能系統(tǒng)或者革新核能系統(tǒng)（INES），主要的目的是達(dá)到核能的廣義可持續(xù)目標(biāo)，其中包括：經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、廢物管理、安全、防擴(kuò)散、實(shí)體保衛(wèi)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等七個(gè)方面[2]。經(jīng)過(guò)十多年的研究，從GAINS項(xiàng)目（Global Architecture of Innovative Nuclear Energy Systems Based on Thermal and Fast Reactor Including a Closed Fuel Cycle），到后期的核能區(qū)域合作項(xiàng)目，以及目前核能發(fā)展路線圖項(xiàng)目，其提出的解決途徑均是建立基于熱堆-快堆的耦合系統(tǒng)。

圖1 壓水堆乏燃料的放射性危害水平

而第四代核能論壇對(duì)于可持續(xù)性的目標(biāo)，傾向于采用狹義的解釋，即鈾資源的高效利用與放射性廢物的管理[3]，而這兩個(gè)目標(biāo)正是快堆在核能系統(tǒng)中的重要作用：增殖與嬗變。

基于熱堆-快堆耦合的閉式燃料循環(huán)系統(tǒng)，除了核電站之外，還包括燃料制造、后處理等重要環(huán)節(jié)，圖2給出了主要環(huán)節(jié)的示意圖。鈾礦采冶后，經(jīng)過(guò)濃縮環(huán)節(jié)為壓水堆提供低濃鈾作為燃料。壓水堆的乏燃料經(jīng)過(guò)后處理，提取出工業(yè)钚作為快堆的燃料，同時(shí)將分離出的MA混合進(jìn)入快堆燃料嬗變?？於岩环矫娼邮諄?lái)自壓水堆的工業(yè)钚與MA作為燃料使用；另一方面自身乏燃料經(jīng)后處理后重復(fù)使用。在該環(huán)節(jié)中，快堆燃料中的钚實(shí)現(xiàn)了增殖，MA含量下降。最后在鈾資源大量消耗之后，快堆增殖的钚可以進(jìn)一步為其他堆型提供燃料。

三、快堆的增殖與嬗變

在不同國(guó)家的核能系統(tǒng)中，快堆的作用不盡相同，其核心是靈活的快堆堆芯設(shè)計(jì)。根據(jù)國(guó)家的需要，快堆可以設(shè)計(jì)成高增殖堆、低增殖堆、嬗變堆，或者兼顧高增殖與嬗變的快堆。

美國(guó)、法國(guó)、俄羅斯、日本等作為核能發(fā)展的典型國(guó)家，壓水堆已經(jīng)大規(guī)模發(fā)展并長(zhǎng)期運(yùn)行，形成了商業(yè)后處理能力，積累了大量的工業(yè)钚。這些工業(yè)钚足夠支撐從壓水堆向快堆的過(guò)渡，同時(shí)這些國(guó)家國(guó)內(nèi)的核電需求不再增長(zhǎng)，因此沒(méi)有快堆增殖的需求，僅要求快堆增殖比略大于1.0，維持核能的長(zhǎng)期供應(yīng)，并進(jìn)行嬗變。

我國(guó)這樣的發(fā)展中國(guó)家，核能的規(guī)模仍然相對(duì)較小，積累的乏燃料較少，不存在急迫的分離嬗變需求。因此，近期快堆的重要作用仍然是核燃料的增殖，快速提高我國(guó)核電的裝機(jī)容量，高增殖快堆及其快速的干法后處理是我國(guó)特定核能發(fā)展環(huán)境下的最優(yōu)技術(shù)選擇。

（一）增殖

圖2 先進(jìn)核能系統(tǒng)示意圖

快堆的增殖能力受多個(gè)因素影響，一是快堆的增殖比，功率規(guī)模越大的快堆，其增殖比也就越大；同等功率規(guī)模的快堆，堆芯結(jié)構(gòu)越是緊湊，增殖效果越好（使用較少的燃料，實(shí)現(xiàn)同樣的增殖）。二是快堆乏燃料的后處理時(shí)間延遲，即卸出的乏燃料中包含了大量的裂變材料，這些材料須通過(guò)幾年的冷卻經(jīng)提取后重新制備成燃料，才能再次使用，這些放在乏燃料水池冷卻的燃料，對(duì)于反應(yīng)堆來(lái)說(shuō)是沒(méi)有使用但被占用的資源。國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃“先進(jìn)核燃料循環(huán)技術(shù)模式研究”的課題研究報(bào)告（2009AA050701）表明，對(duì)于整個(gè)核能系統(tǒng)而言，如要短期內(nèi)提高核能的規(guī)模，縮短后處理的時(shí)間延遲比單純提高增殖有效得多。因此，快堆的乏燃料與后處理是密不可分的，但與目前廣泛應(yīng)用的壓水堆不同（其回收的钚無(wú)法在壓水堆中多次循環(huán)，一般認(rèn)為2～3次循環(huán)后品質(zhì)將惡化到無(wú)法使用），快堆中的钚是可以無(wú)限次循環(huán)下去的，快堆所增殖的核燃料是一種優(yōu)質(zhì)的易裂變钚。

對(duì)于一個(gè)增殖比為1.2的CFR1000商用快堆的堆芯（見(jiàn)圖3）[4]，計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)表2）表明，快堆堆芯中钚的同位素經(jīng)過(guò)多次循環(huán)后趨于一個(gè)平衡值，并且與初始堆芯的差別不大，堆芯中的MA（乏燃料中過(guò)多的MA給燃料循環(huán)帶來(lái)了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)）也不會(huì)像壓水堆那樣隨著循環(huán)次數(shù)的增多顯著增長(zhǎng)，這就意味著快堆是可以進(jìn)行無(wú)限次燃料循環(huán)的。理論上，不管每次循環(huán)快堆的燃料利用了多少，乏燃料中的有用成分終將在不斷的循環(huán)中裂變，鈾資源可以全部利用；但現(xiàn)實(shí)問(wèn)題是燃料循環(huán)的各個(gè)環(huán)節(jié)不可能達(dá)到100%的利用率，由于各環(huán)節(jié)損耗的存在，現(xiàn)實(shí)情況下快堆鈾資源的利用率為60%以上，隨著技術(shù)的進(jìn)步，利用率也將隨之提高。

圖3 CFR1000堆芯布置圖

表2 快堆多次循環(huán)后钚的同位素變化情況 %

（二）嬗變

國(guó)際上普遍認(rèn)為，中等規(guī)模的快堆是用作專門嬗變的理想堆型。目前我國(guó)的示范快堆正在設(shè)計(jì)，除了燃料增殖的示范作用之外，專門的嬗變堆芯也是其重要的應(yīng)用之一。按照國(guó)際普遍的觀點(diǎn)，堆芯中過(guò)多的MA將影響快堆的多普勒、鈉空泡等反應(yīng)性反饋，而添加量在5%以下通常是對(duì)堆芯沒(méi)有安全影響的。為了對(duì)快堆堆芯嬗變能力進(jìn)行研究，將Np、Am這兩個(gè)嬗變的主要對(duì)象分別添加到快堆燃料中，表3給出了堆芯核素的變化量。沒(méi)有添加MA的快堆堆芯，每GW·a將額外產(chǎn)生約10 kg的MA；而以5%的比例添加MA的嬗變快堆，每GW·a可以嬗變掉約200 kg的MA，其嬗變能力是一座壓水堆MA產(chǎn)量的6倍。

此外，表3的結(jié)果也表明加入5% MA的堆芯與單純鈾钚堆芯相比，其有效緩發(fā)中子份額、多普勒反應(yīng)性系數(shù)、鈉空泡反應(yīng)性等負(fù)反饋無(wú)明顯變小。

四、我國(guó)快堆的發(fā)展戰(zhàn)略

我國(guó)是核電后發(fā)展國(guó)家，核電起步比西方晚約20年，從我國(guó)核能發(fā)展的國(guó)情出發(fā)，在2050年之前主要實(shí)施快堆增殖核燃料，在2050年之后考慮實(shí)施MA的嬗變，即采用“先增殖、后嬗變”的技術(shù)路線。因此，高增殖的金屬燃料快堆與能夠快速處理快堆乏燃料的干法后處理技術(shù)應(yīng)是我國(guó)快堆技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)。

我國(guó)快堆發(fā)展按照“實(shí)驗(yàn)堆、示范堆和商業(yè)堆”三階段進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)快堆設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，目前已進(jìn)入了第二階段——設(shè)計(jì)、建造中國(guó)60萬(wàn)千瓦示范快堆。第三階段是規(guī)劃發(fā)展百萬(wàn)千瓦級(jí)大型高增殖快堆。預(yù)計(jì)到2023年，CFR600建成運(yùn)行，之后根據(jù)我國(guó)的需求情況適度推廣。同時(shí)，60萬(wàn)千瓦規(guī)模的快堆比較適合設(shè)計(jì)成專用嬗變快堆，屆時(shí)將根據(jù)我國(guó)核能發(fā)展中MA的累積情況，適時(shí)進(jìn)行堆芯轉(zhuǎn)換，開展壓水堆MA的集中嬗變工作。我國(guó)快堆工程技術(shù)發(fā)展的第三步是電功率達(dá)到1 000～1 200 MWe的大型高增殖示范快堆（CDFBR），要求經(jīng)濟(jì)性可接受。同時(shí)開始應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)燃料循環(huán)的合金燃料，避免廠外燃料運(yùn)輸，加強(qiáng)集中的實(shí)體防衛(wèi)，防止核擴(kuò)散。預(yù)計(jì)我國(guó)CDFBR于2035年運(yùn)行，之后進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣。

五、快堆對(duì)我國(guó)核能的貢獻(xiàn)

根據(jù)中國(guó)工程院《我國(guó)核能發(fā)展的再研究》的估計(jì)，到2030年我國(guó)核電裝機(jī)容量將達(dá)到2×108kW·h，到 2050 年將達(dá)到 3×108～4×108kW·h。而根據(jù)我國(guó)的鈾資源約為2×106t的預(yù)期，壓水堆發(fā)展到200 GWe是比較合適的，其不足部分需要由快堆及其增殖的核燃料來(lái)支撐，情景分析見(jiàn)圖4。

在此情景下，天然鈾的年消耗量隨著壓水堆裝機(jī)容量的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，到2050年左右將達(dá)到35 000 t/a的消耗峰值，2070年后隨著壓水堆的規(guī)模退役而逐漸降低。經(jīng)過(guò)一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，我國(guó)累計(jì)消耗天然鈾2.1×106t，并將產(chǎn)生1.85×106t的貧鈾尾料，這些貧鈾為快堆的增殖提供了充足的原料。

快堆從2032年開始規(guī)模發(fā)展，在初期采用钚鈾氧化物混合燃料（MOX），暫不添加MA，依靠壓水堆乏燃料中的工業(yè)钚和自身的增殖，到2050年具備發(fā)展到約130 GWe的能力。系統(tǒng)中MA的產(chǎn)生與嬗變分析見(jiàn)圖5。到2050年左右，經(jīng)后處理提取出來(lái)的MA接近100 t，此時(shí)的快堆必須過(guò)渡到U-Pu-MA循環(huán)模式，實(shí)施先進(jìn)燃料循環(huán)。到2055年核電總規(guī)模發(fā)展到400 GWe后，此后快堆增殖的钚將出現(xiàn)大量剩余，可以為其他堆型提供燃料。

表3 60萬(wàn)千瓦快堆每GW·a的堆芯核素的變化量 kg

圖4 我國(guó)核能發(fā)展預(yù)測(cè)圖

圖5 預(yù)測(cè)情景中MA的產(chǎn)生與嬗變