第四代核能系統(tǒng)的六大候選堆型

蘇更林

超高溫氣冷堆具有效率高、安全性好、應(yīng)用廣的特點(diǎn)，是目前世界上主流核電國(guó)家競(jìng)相開(kāi)發(fā)的核能發(fā)電技術(shù)。該反應(yīng)堆是由低溫氣冷堆發(fā)展而來(lái)的，以鈾作為核燃料，采用石墨慢化、氦氣冷卻。

用氦氣作為冷卻劑，利用了氦氣化學(xué)惰性和熱工性能好的優(yōu)勢(shì)，堆芯出口氦氣溫度可達(dá)1000℃。超高溫意味著更高的發(fā)電效率，并且具有廣闊的應(yīng)用前景。超高溫氣冷堆不僅可用于清潔核能發(fā)電，它產(chǎn)生的高溫?zé)崮苓€可代替煤炭等燃料，應(yīng)用于煤的氣化、熱化學(xué)制氫、海水淡化、集中供熱等領(lǐng)域，對(duì)于實(shí)現(xiàn)碳中和具有重要的意義。

據(jù)悉，美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家一直致力于高溫氣冷堆核電技術(shù)研究。我國(guó)石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程于2021年12月20日送電成功，這是全球首座球床模塊式高溫氣冷堆核電站，也是全球首個(gè)并網(wǎng)發(fā)電的第四代高溫氣冷堆核電項(xiàng)目。標(biāo)志著我國(guó)已成為世界核電先進(jìn)技術(shù)的領(lǐng)跑者。

采用模塊式設(shè)計(jì)具有更高的安全性，被人們譽(yù)為“不會(huì)熔毀的核反應(yīng)堆”。原來(lái)，通過(guò)模塊式設(shè)計(jì)可以把一個(gè)大型核反應(yīng)堆拆成若干個(gè)小模塊，而每個(gè)模塊都是獨(dú)立的小型反應(yīng)堆。要知道，每個(gè)模塊的功率更小，這樣停止工作后產(chǎn)生的余熱就少，通過(guò)熱傳導(dǎo)等方式就能輕松導(dǎo)出，因此能防止高溫熔毀以及核泄漏事故的發(fā)生。

在第四代核能系統(tǒng)候選堆型中，超臨界水冷堆是唯一的水冷堆型。所謂超臨界水冷堆，說(shuō)的是系統(tǒng)以超臨界水作為冷卻介質(zhì)。水的臨界點(diǎn)為374℃和22.1兆帕，因此超臨界水冷反應(yīng)堆是一個(gè)高溫高壓的水冷反應(yīng)堆。

超臨界水冷反應(yīng)堆的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。由于水在超臨界狀態(tài)下兼具液體和氣體的性質(zhì)，因此具有更高的熱傳導(dǎo)效率。如果運(yùn)行壓力為250個(gè)大氣壓，冷卻劑出口溫度可高于500℃，因此可以提高熱電轉(zhuǎn)換效率，有效節(jié)省鈾資源。同時(shí)，由于超臨界水冷堆只存在一種相態(tài)，因此可以簡(jiǎn)化反應(yīng)堆系統(tǒng)，從而節(jié)省建造成本，在經(jīng)濟(jì)上具有一定的優(yōu)勢(shì)。

專(zhuān)家認(rèn)為，超臨界水冷堆是一種很有前途的先進(jìn)核能發(fā)電技術(shù)。超臨界水冷堆的主要用途是發(fā)電和制氫。從21世紀(jì)初開(kāi)始，美國(guó)、日本、加拿大、德國(guó)、法國(guó)、俄羅斯、韓國(guó)等相繼開(kāi)展了該技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)。

我國(guó)對(duì)于超臨界水冷堆技術(shù)的研究啟動(dòng)于2003年。國(guó)內(nèi)多家高校和研究機(jī)構(gòu)參與研究，并提出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中國(guó)超臨界水冷堆CSR1000總體設(shè)計(jì)方案。2014年5月，中國(guó)正式簽署了加入第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇超臨界水冷堆系統(tǒng)安排協(xié)議。

快中子堆全稱為快中子增殖反應(yīng)堆，簡(jiǎn)稱快堆。它是指由快中子引起鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)釋放熱能并轉(zhuǎn)換為電能的反應(yīng)堆。

快堆的優(yōu)勢(shì)之一是核燃料可以增殖。我們知道，在天然鈾中鈾—235只占0.714%，熱中子堆對(duì)鈾資源的利用率只有1%～2%?？於芽梢园沿S度在99.2%以上的鈾—238有效轉(zhuǎn)化為易裂變的钚—239等，從而實(shí)現(xiàn)裂變材料的不斷增殖?？於芽砂砚欃Y源的利用率提高到60%～70%。

那么，核燃料是如何進(jìn)行增殖的呢？雖說(shuō)快堆使用的核燃料為钚—239，但離開(kāi)了鈾—238它也玩不轉(zhuǎn)。钚—239裂變時(shí)放出來(lái)的快中子，能夠被裝在外圍再生區(qū)的鈾—238所吸收。鈾—238吸收中子之后很快變成钚—239。這樣一來(lái)，钚—239不斷地裂變，產(chǎn)生的快中子又不斷地把鈾—238變成钚—239。由于再生速度高于消耗速度，所以核燃料钚—239會(huì)越用越多，即“增殖”。在這個(gè)過(guò)程中，名義上是钚—239在裂變釋能，實(shí)際上消耗的是鈾—238。

快堆的優(yōu)勢(shì)之二是降低核廢物的環(huán)境壓力?？於涯馨验L(zhǎng)壽命的裂變產(chǎn)物和錒系核素轉(zhuǎn)變?yōu)橐话愕牧炎儺a(chǎn)物，從而可以解決高放核廢物問(wèn)題。

據(jù)悉，采用裂變熱堆核燃料一次循環(huán)的技術(shù)路線，世界鈾資源只夠人類(lèi)使用數(shù)十年；采用快堆鈾—钚循環(huán)的技術(shù)路線，則世界鈾資源可供人類(lèi)使用千年有余。

鑒于快堆的明顯優(yōu)勢(shì)，使其在第四代核能系統(tǒng)候選堆型中占據(jù)了一半的席位（3個(gè)快堆）。根據(jù)快堆冷卻方式的不同，可以分為氣冷快堆、鈉冷快堆和鉛冷快堆。

氣冷快堆是一種尚處于研究中的快堆堆型。氣冷快堆以氦氣等氣體作為冷卻劑，采用閉式燃料循環(huán)。可直接用氦氣輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，也可以利用熱能制氫，還可以把熱量應(yīng)用于其他工業(yè)過(guò)程。

鈉冷快堆是第四代快堆堆型中發(fā)展最快，也最接近商業(yè)化的快堆，在鈾資源有效利用和核廢料處置方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

鈉冷快堆就是以熔融鈉或低共熔鈉鉀合金作為冷卻劑，由快中子觸發(fā)核裂變而維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的反應(yīng)堆。根據(jù)堆型布置的不同，鈉冷快堆可以分為回路式鈉冷快堆和池式鈉冷快堆?；芈肥浇Y(jié)構(gòu)就是用管路把各個(gè)獨(dú)立的設(shè)備連接成回路系統(tǒng)，這樣設(shè)備維修起來(lái)比較方便，但由于系統(tǒng)復(fù)雜，容易發(fā)生故障。池式結(jié)構(gòu)采用的是一體化方案，即把堆芯與一回路的鈉循環(huán)泵、中間熱交換器等浸泡在一個(gè)液態(tài)鈉池內(nèi)。池式結(jié)構(gòu)維修不便，但安全性好。近年來(lái)，出于安全方面的考慮，池式鈉冷快堆逐漸成為發(fā)展的主流。

為什么要用鈉作為冷卻劑呢？鈉的主要優(yōu)點(diǎn)為高導(dǎo)熱系數(shù)和低中子吸收率。高導(dǎo)熱系數(shù)有利于高速率傳熱，低中子吸收率有利于核反應(yīng)進(jìn)行。如鈉的導(dǎo)熱能力是水的130倍，用其作為冷卻劑在很大程度上能防止堆芯的熔化。

同時(shí)，鈉是地球上比較豐富的元素之一，在價(jià)格方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。鈉的熔點(diǎn)為98℃，沸點(diǎn)為883℃，能夠在接近大氣壓力下運(yùn)行。鈉和鈉鉀共晶合金不會(huì)嚴(yán)重腐蝕鋼材，并且與許多核燃料兼容。

鈉是一種非?；顫姷慕饘伲c氧、水以及結(jié)構(gòu)材料的相互作用具有高活性。鈉和鈉鉀共晶合金在空氣中可以自燃并可與水發(fā)生爆炸性反應(yīng)，用其作為反應(yīng)堆冷卻劑需要密封的冷卻系統(tǒng)，并需采取一些特殊的預(yù)防措施。

鈉冷快堆能實(shí)現(xiàn)钚—239的增殖，30多年后钚—239就可以翻一番。因此，钚—239可以滿足兩座同規(guī)模鈉冷快堆的需要。再經(jīng)過(guò)30多年，钚—239就可以滿足四座鈉冷快堆的需要了……

中國(guó)是世界上第8個(gè)擁有鈉冷快堆技術(shù)的國(guó)家。2000年5月，中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆（鈉冷）開(kāi)工建設(shè)，于2011年7月成功并網(wǎng)發(fā)電。2017年在福建霞浦開(kāi)建的中國(guó)示范快堆A型（CFR—600），采用單機(jī)容量60萬(wàn)千瓦的鈉冷快堆，計(jì)劃于2023年完工。

鉛冷快堆是由熔融鉛（或鉛基合金）冷卻的快中子反應(yīng)堆，在高溫和接近大氣壓的條件下運(yùn)行。

鉛是人類(lèi)最早發(fā)現(xiàn)的金屬之一，由于其具有抗腐蝕特性被應(yīng)用于許多場(chǎng)合。熔融鉛和鉛鉍共晶合金具有的基本熱力學(xué)和中子學(xué)特性，用作冷卻劑具有一定的優(yōu)勢(shì)。如鉛在常壓下的沸點(diǎn)（1749℃）很高，鉛鉍共晶合金（鉛44.5%，鉍55.5%）的沸點(diǎn)為1670℃，具有較強(qiáng)的熱傳導(dǎo)能力。由于鉛的密度較高，鉛和鉍也是出色的伽馬輻射屏蔽材料，同時(shí)對(duì)中子幾乎是透明的，中子吸收和慢化截面很小。

鉛冷快堆具有熱效率高、燃料利用率高，以及固有安全性的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，鉛是一種比鈉更惰性的金屬，不容易與水或空氣發(fā)生反應(yīng)。并且鉛冷快堆產(chǎn)生的核廢物更少，輻射毒性也更低。

但是，鉛和鉛鉍共晶合金冷卻劑要比鈉或鈉鉀共晶合金對(duì)鋼的腐蝕性更大一些。此外，鉛和鉛鉍共晶合金的熔點(diǎn)較高，分別為327℃和123.5℃，意味著反應(yīng)堆在較低溫度下運(yùn)行時(shí)冷卻劑可能會(huì)凝固。

2016年，我國(guó)“麒麟一號(hào)”鉛基快中子堆研發(fā)取得重大突破，冷卻劑技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)回路的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰瓦\(yùn)行參數(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平，對(duì)促進(jìn)我國(guó)鉛冷快堆的工程化具有重要的意義。

熔鹽反應(yīng)堆是一種與其他堆型不同的核反應(yīng)堆，主要特征是使用高溫液態(tài)熔鹽作為冷卻劑。為什么要用熔鹽作為冷卻劑？熔鹽具有的高熱容、高熱導(dǎo)、高沸點(diǎn)以及低蒸氣壓等特點(diǎn)，使其在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

熔鹽反應(yīng)堆經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)由概念轉(zhuǎn)化為三種主要的堆型，即熔鹽冷卻液態(tài)燃料熱堆、熔鹽冷卻液態(tài)燃料快堆和熔鹽冷卻固態(tài)燃料堆。

世界上有多個(gè)國(guó)家致力于釷基熔鹽堆的研究。具有中國(guó)特色的釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆已經(jīng)在甘肅武威投入試運(yùn)行。概括起來(lái)，釷基熔鹽堆具有固有安全性、核廢料少、用途廣泛以及物理防核擴(kuò)散等方面的優(yōu)勢(shì)。

引領(lǐng)未來(lái)的第四代核能系統(tǒng)具有更好的前景，也具有更大的挑戰(zhàn)。只有早布局，才能爭(zhēng)取主動(dòng)！根據(jù)第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇設(shè)定的目標(biāo)，這些先進(jìn)的核反應(yīng)堆系統(tǒng)有望在2030年前后投入應(yīng)用，屆時(shí)將為人類(lèi)帶來(lái)更清潔、更安全、更高效、更經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性核能。