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?中核集團(tuán)首席科學(xué)家 張東輝

“能源安全是關(guān)系國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的全局性、戰(zhàn)略性問題，對(duì)國(guó)家繁榮發(fā)展、人民生活改善、社會(huì)長(zhǎng)治久安至關(guān)重要。”“立足我國(guó)國(guó)情，緊跟國(guó)際能源技術(shù)革命新趨勢(shì)，以綠色低碳為方向，分類推動(dòng)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(dòng)我國(guó)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的新增長(zhǎng)點(diǎn)。”

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

按照我國(guó)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(tuán)深入學(xué)習(xí)貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記重要指示批示精神的具體行動(dòng)。

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(xiàng)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(chǔ)運(yùn)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(yùn)藏在鈾-235中的能源，這部分能源可以通過熱中子反應(yīng)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?jī)H有化石能源的1/15，在能源體系中僅能起到補(bǔ)充作用；核能的另外一部分是蘊(yùn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(bǔ)充能源。這就是為什么從上世紀(jì)40年代開始，直到現(xiàn)在還有這么多國(guó)家孜孜以求地研究快堆的原因。

國(guó)際上對(duì)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(jì)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(biāo)改進(jìn)，而是從安全性、可持續(xù)性、經(jīng)濟(jì)性和防擴(kuò)散四個(gè)方面全面滿足未來核能發(fā)展需求。

目前國(guó)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(zhǎng)壽命放射性核素能力強(qiáng)以及固有安全性高三個(gè)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(guó)建成世界上第一座實(shí)驗(yàn)快中子反應(yīng)堆克列曼汀（Clementine）開始，到20世紀(jì)七八十年代，西方國(guó)家為了解決能源危機(jī)問題，大力發(fā)展核電，由于看到熱堆對(duì)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(jī)的解決和西方經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型，西方國(guó)家對(duì)能源需求放緩，20世紀(jì)90年代中期后，世界快堆和核能一起進(jìn)入低潮期。

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著中國(guó)等發(fā)展中國(guó)家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，以及全球變暖的影響，清潔能源的強(qiáng)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)最多的堆型，鈉冷快堆目前已有超過400堆年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，是其中發(fā)展最快、技術(shù)積累最豐富的堆型。這種堆型對(duì)環(huán)境更加友好，應(yīng)對(duì)嚴(yán)重事故的能力更強(qiáng)，技術(shù)上已不需要廠外應(yīng)急。

美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)米曾經(jīng)說過：“首先發(fā)展增殖堆的國(guó)家將在原子能事業(yè)中得到巨大的競(jìng)爭(zhēng)利益。會(huì)建增殖堆的國(guó)家實(shí)際上已經(jīng)永遠(yuǎn)解決了能源問題。”快堆技術(shù)的發(fā)展和推廣，對(duì)我國(guó)實(shí)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(guó)快堆發(fā)展之路

我國(guó)快堆起步于上世紀(jì)60年代，在當(dāng)時(shí)建立了一批中子學(xué)、熱工流體、鈉技術(shù)、燃料、材料等實(shí)驗(yàn)設(shè)施。其中最重要的一個(gè)設(shè)施，是快堆零功率裝置——代號(hào)“東風(fēng)六號(hào)”，又被當(dāng)時(shí)的快堆前輩們稱為“小毛驢”。1969年6月29日，中國(guó)快堆事業(yè)的開拓者和奠基人徐銤院士作為東風(fēng)六號(hào)值長(zhǎng)，成功實(shí)現(xiàn)了裝置的首次臨界，給我國(guó)快堆發(fā)展打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

但當(dāng)時(shí)中國(guó)國(guó)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(duì)世界高技術(shù)蓬勃發(fā)展、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，我國(guó)實(shí)施啟動(dòng)了以“高技術(shù)研究發(fā)展”為主體的“863計(jì)劃”，旨在以前沿技術(shù)研究發(fā)展為重點(diǎn)，統(tǒng)籌部署高技術(shù)的集成應(yīng)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(dǎo)作用，快堆作為能源領(lǐng)域的最大項(xiàng)目也位列其中。自此，我國(guó)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(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)際上大多數(shù)國(guó)家研發(fā)選用的是四步走方式，即：實(shí)驗(yàn)堆-原型堆-示范堆-商用堆。中國(guó)根據(jù)自身的國(guó)情和發(fā)展需要，通過審慎研究，最終確定我國(guó)快堆“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，即：實(shí)驗(yàn)堆-示范堆-商用堆。幾十年的快堆技術(shù)研發(fā)積累和國(guó)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(shí)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(yùn)行、高熱工安全裕度、可靠的非能動(dòng)安全都確保了反應(yīng)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(kuò)散和核能的和平利用；同時(shí)，鈉冷快堆還具備優(yōu)秀的環(huán)境友好性，400多堆年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，鈉冷快堆對(duì)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(gè)量級(jí)，特別是將長(zhǎng)壽命放射性廢物進(jìn)行焚燒的功能，可以讓裂變核能成為完全的綠色能源。

我國(guó)快堆發(fā)展也有效推動(dòng)了中國(guó)核電裝備制造業(yè)的創(chuàng)新和跨越式發(fā)展。目前，我國(guó)已經(jīng)有能力制造全部大型鈉冷快堆的關(guān)鍵設(shè)備，且性能指標(biāo)位于世界前列。我國(guó)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(shè)備需求。

可持續(xù)能源：一體化快堆的責(zé)任和使命

我國(guó)核能戰(zhàn)略目標(biāo)為：在有限的時(shí)間窗口內(nèi)成為大規(guī)模可持續(xù)的主力清潔能源，支撐我國(guó)能源安全和“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)！

這一戰(zhàn)略目標(biāo)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(kuò)大核能總量；自主資源可支撐核能在目標(biāo)容量下長(zhǎng)期發(fā)展”使命和任務(wù)的一體化先進(jìn)閉式循環(huán)快堆核能系統(tǒng)，簡(jiǎn)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(xiàng)及其它配套子項(xiàng)組成，位于同一廠址，構(gòu)成一個(gè)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(yùn)行，同時(shí)還可以燃燒5座百萬千瓦壓水堆產(chǎn)生的長(zhǎng)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(shí)實(shí)現(xiàn)鈾資源高效利用和廢物最小化，這是對(duì)傳統(tǒng)核電概念的拓展和升級(jí)，是創(chuàng)新性的“四代+”技術(shù)。

目前我國(guó)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(fēng)冷，脫離對(duì)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(fēng)電、光電站近址匹配建設(shè)，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(shí)，應(yīng)考慮電網(wǎng)中具備轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的電站的設(shè)置，其中核電是最佳的選擇之一。快堆蒸汽參數(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(hào)，將鍋爐替換掉，實(shí)現(xiàn)火電的升級(jí)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(zhǎng)壽命放射性核素的特性，可以實(shí)現(xiàn)核能作為低碳主力能源大規(guī)模可持續(xù)發(fā)展，是典型的新質(zhì)生產(chǎn)力。快堆技術(shù)靈活，可以開發(fā)系列型號(hào)，滿足市場(chǎng)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(guó)核能發(fā)展的基座，支撐核能在碳中和及后碳中和時(shí)代發(fā)揮戰(zhàn)略性作用，長(zhǎng)期保證國(guó)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(guó)核工業(yè)》雜志 2024年第7期

編輯｜韓建超

審校｜連   敏