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，是目前世界上主流核電國家競相開發(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，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，對于實現(xiàn)碳中和具有重要的意義。

據(jù)悉，美國、德國等國家一直致力于高溫氣冷堆核電技術(shù)研究。我國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，也是全球首個并網(wǎng)發(fā)電的第四代高溫氣冷堆核電項目。標(biāo)志著我國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)計具有更高的安全性，被人們譽(yù)為“不會熔毀的核反應(yīng)堆”。原來，通過模塊式設(shè)計可以把一個大型核反應(yīng)堆拆成若干個小模塊，而每個模塊都是獨立的小型反應(yīng)堆。要知道，每個模塊的功率更小，這樣停止工作后產(chǎn)生的余熱就少，通過熱傳導(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，說的是系統(tǒng)以超臨界水作為冷卻介質(zhì)。水的臨界點為374℃和22.1兆帕，因此超臨界水冷反應(yīng)堆是一個高溫高壓的水冷反應(yīng)堆。

超臨界水冷反應(yīng)堆的優(yōu)勢顯而易見。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。如果運行壓力為250個大氣壓，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，由于超臨界水冷堆只存在一種相態(tài)，因此可以簡化反應(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。

專家認(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)初開始，美國、日本、加拿大、德國、法國、俄羅斯、韓國等相繼開展了該技術(shù)的研究開發(fā)。

我國對于超臨界水冷堆技術(shù)的研究啟動于2003年。國內(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產(chǎn)權(quán)的中國超臨界水冷堆CSR1000總體設(shè)計方案。2014年5月，中國正式簽署了加入第四代核能系統(tǒng)國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？雖說快堆使用的核燃料為钚—239，但離開了鈾—238它也玩不轉(zhuǎn)。钚—239裂變時放出來的快中子，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，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會越用越多，即“增殖”。在這個過程中，名義上是钚—239在裂變釋能，實際上消耗的是鈾—238。

快堆的優(yōu)勢之二是降低核廢物的環(huán)境壓力。快堆能把長壽命的裂變產(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使用千年有余。

鑒于快堆的明顯優(yōu)勢，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)?？芍苯佑煤廨啓C(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特的優(yōu)勢。

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。回路式結(jié)構(gòu)就是用管路把各個獨立的設(shè)備連接成回路系統(tǒng)，這樣設(shè)備維修起來比較方便，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，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，鈉是地球上比較豐富的元素之一，在價格方面具有一定的優(yōu)勢。鈉的熔點為98℃，沸點為883℃，能夠在接近大氣壓力下運行。鈉和鈉鉀共晶合金不會嚴(yán)重腐蝕鋼材，并且與許多核燃料兼容。

鈉是一種非常活潑的金屬，與氧、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30多年，钚—239就可以滿足四座鈉冷快堆的需要了……

中國是世界上第8個擁有鈉冷快堆技術(shù)的國家。2000年5月，中國實驗快堆（鈉冷）開工建設(shè)，于2011年7月成功并網(wǎng)發(fā)電。2017年在福建霞浦開建的中國示范快堆A型（CFR—600），采用單機(jī)容量60萬千瓦的鈉冷快堆，計劃于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行。

鉛是人類最早發(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。如鉛在常壓下的沸點（1749℃）很高，鉛鉍共晶合金（鉛44.5%，鉍55.5%）的沸點為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，同時對中子幾乎是透明的，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。同時，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鋼的腐蝕性更大一些。此外，鉛和鉛鉍共晶合金的熔點較高，分別為327℃和123.5℃，意味著反應(yīng)堆在較低溫度下運行時冷卻劑可能會凝固。

2016年，我國“麒麟一號”鉛基快中子堆研發(fā)取得重大突破，冷卻劑技術(shù)綜合實驗回路的實驗?zāi)芰瓦\行參數(shù)處于國際領(lǐng)先水平，對促進(jìn)我國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)、高沸點以及低蒸氣壓等特點，使其在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面具有顯著的優(yōu)勢。

熔鹽反應(yīng)堆經(jīng)過幾十年的發(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。

世界上有多個國家致力于釷基熔鹽堆的研究。具有中國特色的釷基熔鹽實驗堆已經(jīng)在甘肅武威投入試運行。概括起來，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。

引領(lǐng)未來的第四代核能系統(tǒng)具有更好的前景，也具有更大的挑戰(zhàn)。只有早布局，才能爭取主動！根據(jù)第四代核能系統(tǒng)國際論壇設(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，屆時將為人類帶來更清潔、更安全、更高效、更經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性核能。