?中核集團首席科學家 張東輝

“能源安全是關(guān)系國家經(jīng)濟社會發(fā)展的全局性、戰(zhàn)略性問題，對國家繁榮發(fā)展、人民生活改善、社會長治久安至關(guān)重要。”“立足我國國情，緊跟國際能源技術(shù)革命新趨勢，以綠色低碳為方向，分類推動技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、商業(yè)模式創(chuàng)新，并同其他領(lǐng)域高新技術(shù)緊密結(jié)合，把能源技術(shù)及其關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)培育成帶動我國產(chǎn)業(yè)升級的新增長點?！?/p>

黨的十八大以來，習近平總書記多次強調(diào)“能源的飯碗必須牢牢端在自己手里”，為建設清潔低碳、安全高效的能源體系指明了前進方向。

按照我國核能發(fā)展“熱堆-快堆-聚變堆”三步走戰(zhàn)略，大力開展第二步的快堆發(fā)展，正是中核集團深入學習貫徹落實習近平總書記重要指示批示精神的具體行動。

戰(zhàn)略能源：快堆發(fā)展的兩次熱潮

到目前為止，快堆還是一項公眾所知不多的技術(shù)。

化石能源和核能都是能量密度較高，可以儲運及靈活使用的能源。但鈾資源中的能源又分為兩部分：一部分是蘊藏在鈾-235中的能源，這部分能源可以通過熱中子反應堆加以利用。但可惜的是，由于鈾-235僅占天然鈾的0.7%，這部分能源的總量僅有化石能源的1/15，在能源體系中僅能起到補充作用；核能的另外一部分是蘊藏在鈾-238中的能源，鈾-238在天然鈾中占99.3%，快堆技術(shù)可以把這部分能源充分利用起來，其能源總量將遠遠超出所有傳統(tǒng)化石能源的總和！由此，有了快堆的核能就可以成為一種戰(zhàn)略能源，而不僅僅是一種補充能源。這就是為什么從上世紀40年代開始，直到現(xiàn)在還有這么多國家孜孜以求地研究快堆的原因。

國際上對核電技術(shù)發(fā)展采用代際來劃分，一代到三代發(fā)展的主力堆型是熱中子堆，每一代之間主要是技術(shù)改良，提高經(jīng)濟性和安全性；四代核電則直接躍升為革新性技術(shù)，即不僅僅局限于單純的單一目標改進，而是從安全性、可持續(xù)性、經(jīng)濟性和防擴散四個方面全面滿足未來核能發(fā)展需求。

目前國際上已列入四代核電的六種堆型中有三種是快堆，即鈉冷快堆、氣冷快堆和鉛冷快堆。其中，鈉冷快堆因增殖比高、嬗變長壽命放射性核素能力強以及固有安全性高三個特性，成為四代核電的首選堆型。

世界快堆發(fā)展經(jīng)歷了兩次熱潮。從1946年美國建成世界上第一座實驗快中子反應堆克列曼汀（Clementine）開始，到20世紀七八十年代，西方國家為了解決能源危機問題，大力發(fā)展核電，由于看到熱堆對鈾資源利用率低，限制了核能發(fā)展的規(guī)模，發(fā)展快堆成為了必須，這是第一次快堆發(fā)展熱潮。

但是，隨著石油危機的解決和西方經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型，西方國家對能源需求放緩，20世紀90年代中期后，世界快堆和核能一起進入低潮期。

進入21世紀，隨著中國等發(fā)展中國家經(jīng)濟快速發(fā)展，以及全球變暖的影響，清潔能源的強勁需求再一次讓核電成為重要選擇，快堆發(fā)展迎來第二次熱潮。

作為四代核電里研究最為廣泛深入、運行經(jīng)驗最多的堆型，鈉冷快堆目前已有超過400堆年的運行經(jīng)驗，是其中發(fā)展最快、技術(shù)積累最豐富的堆型。這種堆型對環(huán)境更加友好，應對嚴重事故的能力更強，技術(shù)上已不需要廠外應急。

美國物理學家費米曾經(jīng)說過：“首先發(fā)展增殖堆的國家將在原子能事業(yè)中得到巨大的競爭利益。會建增殖堆的國家實際上已經(jīng)永遠解決了能源問題。”快堆技術(shù)的發(fā)展和推廣，對我國實現(xiàn)能源安全、以及核能的可持續(xù)綠色發(fā)展具有重要意義。

創(chuàng)新能源：中國快堆發(fā)展之路

我國快堆起步于上世紀60年代，在當時建立了一批中子學、熱工流體、鈉技術(shù)、燃料、材料等實驗設施。其中最重要的一個設施，是快堆零功率裝置——代號“東風六號”，又被當時的快堆前輩們稱為“小毛驢”。1969年6月29日，中國快堆事業(yè)的開拓者和奠基人徐銤院士作為東風六號值長，成功實現(xiàn)了裝置的首次臨界，給我國快堆發(fā)展打下了扎實的基礎。

但當時中國國力還比較弱，投入的資源有限，發(fā)展比較緩慢。直到1986年，面對世界高技術(shù)蓬勃發(fā)展、國際競爭日趨激烈的嚴峻挑戰(zhàn)，我國實施啟動了以“高技術(shù)研究發(fā)展”為主體的“863計劃”，旨在以前沿技術(shù)研究發(fā)展為重點，統(tǒng)籌部署高技術(shù)的集成應用和產(chǎn)業(yè)化示范，充分發(fā)揮高技術(shù)引領(lǐng)未來發(fā)展的先導作用，快堆作為能源領(lǐng)域的最大項目也位列其中。自此，我國快堆發(fā)展駛上了快車道。

按照技術(shù)規(guī)律，為避免大的技術(shù)風險和經(jīng)濟風險，國際上大多數(shù)國家研發(fā)選用的是四步走方式，即：實驗堆-原型堆-示范堆-商用堆。中國根據(jù)自身的國情和發(fā)展需要，通過審慎研究，最終確定我國快堆“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，即：實驗堆-示范堆-商用堆。幾十年的快堆技術(shù)研發(fā)積累和國家工業(yè)能力的整體提升，也讓我們有信心也有能力跨過這一步。

快堆發(fā)展除了可以為人類提供一種現(xiàn)實的無盡能源，更為和平、安全、環(huán)境友好利用核能給出了優(yōu)質(zhì)答案。其鈉冷快堆常壓運行、高熱工安全裕度、可靠的非能動安全都確保了反應堆在各種工況下的安全性；一體化鈉冷快堆的鈾钚不分離技術(shù)確保了核不擴散和核能的和平利用；同時，鈉冷快堆還具備優(yōu)秀的環(huán)境友好性，400多堆年的運行經(jīng)驗表明，鈉冷快堆對環(huán)境的劑量的影響和廢物產(chǎn)生量比傳統(tǒng)的熱堆技術(shù)要低大約兩個量級，特別是將長壽命放射性廢物進行焚燒的功能，可以讓裂變核能成為完全的綠色能源。

我國快堆發(fā)展也有效推動了中國核電裝備制造業(yè)的創(chuàng)新和跨越式發(fā)展。目前，我國已經(jīng)有能力制造全部大型鈉冷快堆的關(guān)鍵設備，且性能指標位于世界前列。我國已經(jīng)形成了世界上最為完備的快堆產(chǎn)業(yè)鏈，可以滿足從幾萬千瓦到百萬千瓦全譜系快堆電站的材料和設備需求。

可持續(xù)能源：一體化快堆的責任和使命

我國核能戰(zhàn)略目標為：在有限的時間窗口內(nèi)成為大規(guī)?？沙掷m(xù)的主力清潔能源，支撐我國能源安全和“雙碳”目標實現(xiàn)！

這一戰(zhàn)略目標決定，承載著“支撐核能大規(guī)模、可持續(xù)發(fā)展；快速增殖、擴大核能總量；自主資源可支撐核能在目標容量下長期發(fā)展”使命和任務的一體化先進閉式循環(huán)快堆核能系統(tǒng)，簡稱一體化快堆。這是核能發(fā)展的高階形態(tài)。

一體化快堆由快堆、燃料再生子項及其它配套子項組成，位于同一廠址，構(gòu)成一個完整高效的核能系統(tǒng)。一座百萬千瓦一體化快堆一年只需要1噸多的貧鈾即可保持運行，同時還可以燃燒5座百萬千瓦壓水堆產(chǎn)生的長壽命放射性廢物，且安全性還能保持在更高水平。一體化快堆通過廠內(nèi)核燃料的快速循環(huán)，同時實現(xiàn)鈾資源高效利用和廢物最小化，這是對傳統(tǒng)核電概念的拓展和升級，是創(chuàng)新性的“四代+”技術(shù)。

目前我國的核電站都建在沿海，而快堆的蒸汽參數(shù)高，常規(guī)島冷卻方式可以采用風冷，脫離對水源的依賴。此外，快堆具有良好的調(diào)峰特性，可以在內(nèi)陸干旱地區(qū)與大型的風電、光電站近址匹配建設，形成可以穩(wěn)定輸出的大型清潔能源基地。

快堆蒸汽溫度僅次于高溫堆，將近500攝氏度的蒸汽溫度可以滿足化工企業(yè)大多數(shù)的蒸汽需求。此外，將快堆和熔鹽裝置耦合，將具備更大的靈活性，全方位提供化工基地等汽/熱用戶各種參數(shù)的蒸汽。

作為未來低碳能源體系的發(fā)展需要，在壓減火電的同時，應考慮電網(wǎng)中具備轉(zhuǎn)動慣量的電站的設置，其中核電是最佳的選擇之一?？於颜羝麉?shù)與火電相近，可以在火電廠址原址上開發(fā)適用于火電廠址的專用型號，將鍋爐替換掉，實現(xiàn)火電的升級換代。

快堆作為第四代核能系統(tǒng)的主力堆型，具備大幅度提高鈾資源利用率、嬗變長壽命放射性核素的特性，可以實現(xiàn)核能作為低碳主力能源大規(guī)?？沙掷m(xù)發(fā)展，是典型的新質(zhì)生產(chǎn)力?？於鸭夹g(shù)靈活，可以開發(fā)系列型號，滿足市場多方面的需求。包括后處理在內(nèi)的快堆—壓水堆二元體系的完美匹配，可以構(gòu)建我國核能發(fā)展的基座，支撐核能在碳中和及后碳中和時代發(fā)揮戰(zhàn)略性作用，長期保證國家的能源安全。

（本文根據(jù)作者在廣西南寧“核能創(chuàng)新·低碳未來”論壇上的講話整理）

來源｜《中國核工業(yè)》雜志 2024年第7期

編輯｜韓建超

審校｜連   敏