從民用核工程發展的早期，快堆就已經開始設計。盡管快堆有許多潛在優勢，但該行業一直受到持續的技術挑戰困擾，阻礙了預期的增長軌跡。隨著增殖技術的進步，這一切可能都將發生改變。

1、重新關注快堆

國際原子能機構(IAEA)總干事拉斐爾·馬里亞諾·格羅西(Rafael Mariano Grossi)今年發表了這番話：“現在是時候再次關注快堆了：這是一種創新技術，可以從鈾中提取更多的能量，并反復回收核廢料，有助于保護自然資源，同時減少廢料對環境的影響。”

格羅西在第四屆快堆和相關燃料循環國際會議開幕式上發表了講話：面向未來的可持續清潔能源。

格羅西強調了發展快堆技術的必要性，他說：“除了像所有核反應堆一樣低碳外，快堆系統在可持續性方面也很關鍵：它們減少了廢物的環境足跡，同時從燃料中提取了更多的能量。它們可以成為通往更安全、更高效核能的橋梁，為數代人提供可持續的清潔能源。”

2、快堆的早期發展

新一代反應堆旨在創建本質上更安全、更高效的核電站，這些反應堆可能有助于開發更可持續的核能，也可能用于各種工業應用。

快中子反應堆(FNR)在沒有慢化劑(如水或石墨)的情況下運行，以維持裂變鏈式反應，并且可以從燃料中提取比現有熱反應堆設計多70倍的能量。

快堆可以產生或“繁殖”比消耗的燃料更多的燃料，并且可以燃燒乏燃料中的一些廢物，從而大大減少高放廢物(HLW)的體積、毒性和壽命。

FNR系統還可以實現全封閉的核燃料循環，在該循環中，輻照燃料被再處理和再利用。

迄今為止，液態鈉一直是FNR的冷卻劑選擇。

鈉具有高沸點，可以提取更多的熱量，從而實現更高的功率密度和更高的溫度。這使得較小的反應堆能夠產生更多的能量和發電量。

其缺點是與水和空氣接觸時發生化學反應。為了克服這一問題，目前正在開發其他液態金屬冷卻劑。

鉛鉍共晶(LBE)在20世紀60年代被用于俄羅斯核潛艇，現在與鉛一起被開發為動力反應堆。

這些冷卻劑與空氣和水接觸時具有化學惰性，簡化了傳熱系統。

此外，液態金屬并不是所考慮的唯一可能的冷卻劑。氣體冷卻劑，如氦氣和熔鹽混合物也在研究中。

有史以來第一個發電的核反應堆是由液態鈉冷卻的FNR——美國愛達荷州國家實驗室的實驗增殖反應堆(EBR-I)。

1951年，該反應堆產生的電力足以照亮四個200瓦的燈泡。

1962年，英國的杜恩雷快堆(DFR)成為世界上第一個向國家電網供電的FNR。

表1：關閉或取消的快堆項目

20世紀60年代和70年代，美國和歐洲，特別是英國、法國和德國，對FNR的熱情與日俱增(見表1)。

然而，事情在20世紀70年代末開始發生變化，隨著1979年美國三里島事故和1986年切爾諾貝利災難的發生，對稀缺鈾資源的擔憂減弱，公眾輿論變得越來越敵對。

到20世紀90年代初，美國、英國和德國關閉了他們的FNR項目。

法國繼續其Phe´nix和SuperPhe´nix項目數年，盡管有時會發生激烈的公眾抗議，最終于1998年關閉了SuperPhe‘nix，并于2009年關閉了Phe’nix。

隨后，2019年，法國還取消了第四代ASTRID鈉冷快堆示范設計項目。

1984年，法國、英國、意大利和德國同意啟動歐洲快堆(EFR)研究。

1985年，英國、法國、比利時、意大利和德國啟動了EFR計劃，努力在1993年之前設計一個1500 MW的原型反應堆。

1988年，法國、德國和英國的主要設計活動被合并，西門子、Novatome和NNC成立了EFR Associates(EFR-A)，以設計一個新的EFR，結合了三個國家項目的特點。

國家研發計劃被合并以支持這一計劃。比利時、法國、德國、英國和意大利的公用事業公司組成了歐洲快堆公用事業集團(EFRUG)，作為EFR的潛在客戶。

然而，這一切都化為烏有，EFR項目于1998年被取消。

3、從經驗中學習

英國的杜恩雷快堆(圖源：網絡)

在接下來的幾十年里，發展初期的困境仍在繼續。

盡管如此，還是取得了相當多的經驗，并從當時所犯的錯誤中吸取了很多教訓。

EBR-Ⅱ運行至1994年，是INL儲存HALEU的來源(圖片：INL)

例如，在美國，實驗增殖反應堆Ⅰ(EBR-Ⅰ)和鈉反應堆實驗(SRE)都遇到了問題。由阿貢國家實驗室設計的EBR-I旨在驗證核物理理論，表明增殖反應堆應該是可能的。

1955年，在一次冷卻劑流量測試中，反應堆發生了部分熔毀，該測試旨在確定反應堆對冷卻劑流量變化做出意外反應的情況。

隨后對其進行了修復，以進行進一步的實驗，實驗確定燃料棒和支撐燃料棒的厚板的熱膨脹是反應堆意外反應的原因。

后來，原子能國際公司在加州西米谷附近的圣蘇珊娜現場實驗室(Santa Susana Field Laboratory)建造的SRE發生了一起更嚴重的事故。

1959年7月，當反應堆43個燃料元件中的13個部分熔化時，反應堆發生了部分熔毀，導致放射性氣體釋放到大氣中。

該反應堆于1960年至1964年間進行了維修和試運行，并配備了新的反應堆堆芯。

然而，當地社區繼續關注該事件可能對健康和環境造成的影響，2009年，美國能源部(DOE)最終同意舉辦一次社區研討會，以討論這一情況。

事件的結果是，SRE發生了關鍵變化——鈉系統得到了修改，儀表得到了改進，燃料元件幾何結構也得到了修改。

在英國，杜恩雷的原型快堆(PFR)于1974年達到臨界狀態，并于1975年開始供電，在達到滿功率之前面臨許多延遲和可靠性問題。

其中包括1974年和1975年鈉/水蒸汽發生器泄漏導致一個冷卻回路和兩個冷卻回路關閉時，三個冷卻回路出現問題。

在法國，運營了15年的Rapsodie發生了兩次泄漏——1978年的一次鈉微泄漏，小到從未被發現，1982年的氮氣泄漏。

Phe´nix運行了20年沒有問題，但在20世紀90年代初出現了許多無法解釋的行為，包括大功率瞬變。

因此，它在1991年至1994年間多次關閉，大部分時間處于離線狀態。

1994年至2002年間，它重新獲得了認證，并進行了重大翻新。

SuperPhe´nix作為商業FNR，在電力輸出方面表現令人失望。它的液態鈉冷卻系統也受到腐蝕和泄漏的影響，盡管這些問題在1996年得到了解決，當時它達到了90%的額定功率。

盡管如此，在其11年的運行期間，由于技術問題以及政治和行政問題，該廠僅正常運行了53個月(大部分為低功率)。

1973年，在俄羅斯，BN-350在蒸汽發生器因焊接不良發生故障時，發生了嚴重的鈉火災。

反應堆停堆維修了四個月。在BN-600的早期，有27次鈉泄漏和12次蒸汽發生器泄漏。

最后一次事故發生在1994年。沒有一次事故導致緊急情況，也沒有一次阻止核電站在維修后重新啟動。

文殊快堆(圖源：網絡)

日本的常陽和文殊FNR都遭遇了一些事件。

2007年，一個測試組件被卡在常陽反應堆容器中，必須設計特殊設備來取回它，最終在2014年才完成。

1994年達到臨界狀態的文殊快堆，在1995年因鈉冷卻劑泄漏和火災而關閉。

反應堆于2010年重新啟動，但三個月后，在換料大修期間，一臺燃料裝卸機意外落入反應堆中，反應堆被關閉。

在印度，由于技術問題，快增殖試驗反應堆(FBTR)在1987年至1989年間關閉。

發生了兩起重大事件——1987年的一次燃料處理事件和2002年凈化艙的一次鈉泄漏，以及三起反應性事件(1994年、1995年和1999年)。

然而，所有這些事件都有助于在FNR技術和操作方面積累越來越多的經驗。

表2：運行中的快堆

表3：正在建設或正在開發的快堆

雖然到20世紀90年代，歐洲和美國的FNR發展實際上已經停止，但俄羅斯、中國和印度的FNR仍在快速發展，目前有五個FNR正在運營(見表2)，另有五個FNR正在開發中(見表3)。

4、俄羅斯發展

俄羅斯Rosatom的BN-350 FBR(圖源：NEi)

俄羅斯在快堆技術領域處于領先地位，也在這方面支持中國。

在蘇聯，為了避免鈾短缺，1949年制定了快堆設計，并在奧布寧斯克的物理與動力工程研究所(IPPE)啟動了快堆開發計劃。

1955年，BR-1(Bystry Reactor-1)臨界組件在IPPE投入使用，以金屬钚為燃料，不使用冷卻劑。

BR-2于1956年開始使用，冷卻劑為液態汞。然而，即使在低溫下，金屬钚燃料在輻照下也不穩定，汞從管道接頭泄漏并腐蝕了鋼包層。

1959年，BR-2被替換為用液態鈉冷卻并以二氧化钚為燃料的BR-5。

1973年，其功率增加到10MWt(BR-10)，1983年，重建和容器更換顯著提高了其安全性，一直運營到2004年。

1969年，位于烏里揚諾夫斯克附近的季米特洛夫格勒的原子反應堆研究所(NIIAR)對鈉冷卻BOR-60進行了調試，其功率容量為60MWe。

振動填充燃料和其他快堆燃料已在該反應堆中進行測試，該反應堆仍在運行，并已廣泛用于燃料和結構材料的國際研究項目。

它最初的設計使用壽命為20年，但自1988年以來，其使用壽命已多次延長，分別為30年、40年和45年。

它很快將被新的多用途快中子增殖研究反應堆(Mnogotselevoy bystryy issledovatelskiy Reactor–MBIR)所取代，該反應堆已經在NNIAR建造，這將是世界上最大的快中子研究反應堆。

MBIR將能夠測試鉛、鉛鉍和氣體冷卻劑，并計劃成為一個國際研究中心的基地。

Rosatom已將該設施的實際啟動時間安排在2026年，發電廠將在2027年，比原定時間提前一年，并表示將于2028年向國際合作伙伴提供研究項目。

俄羅斯第一個快中子(bystryy neytron-BN)動力反應堆BN-350于1972年在哈薩克斯坦阿克套啟動。

許多專家組織在IPPE作為科學領導者的情況下參與了該項目。

機器制造開發設計局領導反應堆的建造，開發設計局提供設備，全俄羅斯電力工程技術科學研究設計院是總設計師。

其1,000MWt的產量中約有一半用于海水淡化，還產生了130 MWe的電力。

它還充當了快堆技術和燃料大規模測試的實驗基地，設計壽命為20年，1993年后，它通過每年的執照更新進行運營。

1995年運營許可證到期后，該公司繼續運營，直到1999年關閉。

甚至在BN-350開始運行之前，作為FNR商業化的一步，已經制定了一個更強大的反應堆的計劃。

BN-600建造于別洛雅爾斯基(Beloyarsk)核電站3號機組，于1980年開始運行，1982年成為世界上第一個商用快中子反應堆。

它已定期升級，其運行壽命于2010年延長至2020年，然后再延長五年。現在正在準備進一步延期。

BN-600擁有俄羅斯所有核電機組中最好的運行和生產記錄。

大型商業快堆BN-800的計劃已經到位，1984年開始在別洛雅爾斯基核電站4號機組建造。

然而，1986年切爾諾貝利核電站事故后，工程被凍結，1991年蘇聯解體后，由于財政崩潰，工程進一步推遲。

1983年開始的核電站設計，在1987年切爾諾貝利核電站事故之后進行了徹底修改，為了滿足新的安全指南，在1993年進行了一次較小的試驗。

2006年恢復建設，最終于2016年開始運營。

最初，它使用了基于80%氧化鈾和20%混合氧化鈾钚(MOX)的混合燃料，包括芯塊和振動填充型。MOX的數量逐漸增加，到2022年，已構成整個核心。

別洛雅爾斯基核電站5號機組預計將擁有更大的BN-1200快中子反應堆。

它將包括許多技術升級，預計將于2035年開始運營。預計2022年底將做出最終決定。

與此同時，Brest-OD-300反應堆于2022年7月開始建造，該反應堆被視為BN快堆系列的可能繼任者。

它在540℃時的容量為700MWt(300MWe)，以鉛作為主要冷卻劑和超臨界蒸汽發生器。

沒有武器級钚可以生產，因為沒有鈾覆蓋層，所有的繁殖都發生在核心。

初始堆芯將包括钚和乏燃料，包括放射性“熱”裂變產物。

2014年9月，NA Dollezhal電力工程研究與發展研究所(Nikiet)完成了布雷斯特反應堆(采用鉛冷卻劑)的工程設計。

Rosatom表示，Nikiet的25多個部門與35個其他核工業組織一起參與了技術設計項目。

BREST-300的設計工作已經完成(圖源：NIKEET)

Brest-OD-300反應堆是俄羅斯西伯利亞化學聯合公司(SCC)在塞弗斯克建造的試點示范發電廠(ODEK)的一部分，是Proryv(“突破”)項目的一部分。

自2011年以來，SCC一直在實施Proryv項目，以展示封閉式燃料循環技術。

ODEK將包括另外兩個獨特的設施：一個用于制造和再制造混合濃鈾钚氮化物(MNUP)燃料的模塊，以及一個用于再處理和再循環輻照燃料的模塊。

MFR是目前接近完工的第一個此類反應堆，計劃于2023年啟動。燃料后處理模塊的建造計劃于2024年開始。所有ODEK設施的調試預計將于2029年開始。

5、在俄羅斯支持下的中國

中國的CEFR快堆(圖源：NEi)

中國在俄羅斯的支持下，于1964年開始研發快中子反應堆。

1987年，建設FNR項目首次被納入中國國家高科技發展計劃，位于北京附近的中國原子能研究院(CIEA)被任命為牽頭機構。

為了最大限度地降低成本，中國決定讓外國各方參與，并于1992年開始與俄羅斯就該項目開展合作。

1995年，俄羅斯原子能部(Minatom)與中國核能工業公司(CNEIC)簽署了一份《開發實驗性鈉冷快堆領域合作機構間協議》。

2000年5月，中國實驗快堆(CEFR)的第一個混凝土澆筑完成，2002年，俄羅斯和中國簽署了一份正式的政府間協議，以合作建設和運營該反應堆。

俄羅斯OKBM Afrikantov與OKB Gipropress、Nikiet和Kurchatov研究所合作建立了CEFR。

2010年，20 MWe/65MWt CEFR實現了首次臨界，并于2011年并網。

CEFR操作人員使用OKBM、IPPE和NIIAR的BOR-60測試設施接受了培訓。

CEFR的運行為大型快堆鋪平了道路。600MWe機組目前正在建設中，隨后將建設一座1000MW發電廠。

CFR-600快堆圖(圖源：CNNC)

2017年12月，600MWe(1500MWt)示范CFR-600的第一批混凝土澆筑在福建霞浦舉行。ZiO Podolsk正在為蒸汽發生器提供熱交換模塊。

Rosatom的燃料公司TVEL和中國公司CNLY(中國核工業集團公司的一部分)于2018年簽署了一份為CFR-600反應堆提供核燃料的合同。

為了履行合同，俄羅斯位于埃列克特羅斯塔爾的Mashinostroitelny Zavod(MSZ)于2021升級了其快堆燃料生產設施，并委托了一個新的生產場地用于CFR-600燃料的批量生產。

6、印度發展

在印度，原子能部(DAE)對FNR的興趣始于20世紀50年代，當時考慮到印度的鈾儲量有限，提出了三階段戰略來擴大核能。

然而，它確實有大量的釷儲量，并使用不同的反應堆類型，采用涉及鈾和釷的分階段計劃。

DAE于1965年在巴巴原子研究中心(BARC)啟動了一個快堆項目。

印度隨后決定與一個在FNR技術方面有經驗的國家合作。法國提供了支持，并于1969年簽署了一項雙邊協議。

快速增殖試驗反應堆(FBTR)的設計主要基于法國的Rapsodie，并進行了一些修改。

DAE于1971年批準了預算，1972年在卡爾帕克卡姆的英迪拉·甘地原子研究中心(IGCAR)開始建造FBTR。除格柵板、一個控制棒驅動機構和一個一級鈉泵外，所有部件均為國產。

由BARC和IGCAR聯合設計、建造和運營的FBTR于1985年投入運行。

該反應堆設計為使用混合钚-碳化鈾作為驅動燃料供能40MWt和13.2Mwe，它的運行因幾起事故而中斷，造成了長時間的延誤，很少以設計容量運行，并在1987年至1989年間因技術問題而關閉。

從1989年到1992年，該堆以1MWt運行。

1993年，功率水平提高到10.5MWt。

2005年，FBTR的燃料循環結束，燃料再處理結束，功率逐漸增加，至2018年達到的最大32 MWt。

2022年3月，更換堆芯后，首次達到40 MWt的設計功率水平。

2011年，印度宣布FBTR將延長20年運行時間，至2030年。

印度還在IGCAR完成一個500MWe鈉冷原型快增殖反應堆(PFBR)。Bhavini于2004年開始建設，這是一個由DAE設立的專用項目，旨在實現該項目，監督印度未來FNR的建設和運營。

IGCAR和Bhavini目前正在為新的600MW We商用快堆(CFBR)設計進行詳細的工程研究。

為準備建造兩座商業FBR，IGCAR正在建造現場裝配車間和變電站。DAE還打算在不同的地點再開發四個FNR，并成立了一個“地點選擇委員會”。

7、歐洲和美國重新重視

通過合作項目和政府對私營公司倡議的支持，歐洲和美國對FNR的興趣正在恢復，但仍處于設計階段。

通過第四代國際論壇(GIF)等舉措，正在國際一級協調六個反應堆概念的研發。

它匯集了13個國家(阿根廷、澳大利亞、巴西、加拿大、中國、法國、日本、韓國、俄羅斯、南非、瑞士、英國和美國)以及代表27個歐盟成員國的歐洲原子能組織。

GIF選擇的用于進一步研發的反應堆技術包括三種FNR類型——氣冷快堆(GFR)、鉛冷快堆和鈉冷快堆。

在歐洲，可持續核能技術平臺(SNETP)為FNR確定了自己的戰略和優先事項，這些FNR在供應安全、可持續性和經濟競爭力方面最有可能滿足歐洲的長期能源需求。

此外，歐洲鈉快堆-安全措施評估和研究工具(ESFR-SMART)項目(2017-2021)是之前歐洲SFR概念的最新體現，即EFR(1990-2000)和CP-ESFR-歐洲鈉快堆合作項目(2008-2012)。

考慮到從福島事故中吸取的教訓，為第四代反應堆設想的安全目標，以及為推動ESFR-SMART的發展而制定的指南。

至于美國，美國能源部表示，其快堆計劃“側重于基于科學的研究，支持提高快堆技術的性能和經濟競爭力，并提供經驗證的實驗和運行數據支持快堆許可案例”。

為準備建造兩座商業FBR，IGCAR正在建造現場裝配車間和變電站。DAE還打算在不同的地點再開發四個FNR，并成立了一個“地點選擇委員會”。

美國快堆計劃的一個關鍵組成部分是阿貢國家實驗室的機械工程試驗回路設施(METL)，這是一個中等規模的液態金屬實驗設施。

自2018年以來，美國能源部一直使用METL測試工業鑒定的快堆組件，并將繼續“進行實驗，以產生對多個快堆開發者有用的結果”。

美國能源部表示，美國“通過參與眾多國家和國際基準項目，參與了許多代碼驗證和驗證任務”。

它“正在開發幾種先進的快堆燃料形式以及工具和方法，以加快這些燃料在先進反應堆設計中的使用資格”。

美國能源部表示，多用途試驗反應堆(VTR)“是一個重要的基礎設施，可以與示范反應堆協調工作，幫助我們發現、測試和推進創新核能技術，幫助我們的星球實現零碳排放”。

2022年7月，美國能源部發布了在愛達荷州國家實驗室(INL)建造鈉冷卻快速試驗反應堆的決定記錄(ROD)。

美國能源部指出：“如果國會批準，多用途試驗反應堆(VTR)將是近三十年來在美國運行的第一個快譜試驗反應堆。”

核能部助理部長Kathryn Huff博士表示：“將快中子試驗源帶回美國是我們向未來無碳經濟轉型的一項投資。現在我們已經完成了決策過程中的這一重要步驟，我期待著與國會合作，獲得有朝一日使VTR成為現實所需的資金。”

盡管國會沒有為VTR提供2022財年的資金，但DOE已要求2023財年的資金幫助將項目推進至設計階段。

美國能源部于2018年建立了VTR計劃。該團隊包括來自六個國家實驗室、19所大學和九個行業合作伙伴的專家。

美國能源部指出：“一旦建成，VTR將產生更高的中子通量，以測試核材料，比美國目前的能力快10倍。這種測試能力只存在于今天的俄羅斯。”。

今天，原子能機構通過分享信息和經驗、協調研究項目、技術出版物、技術工作組和國際會議，在支持快堆開發和部署方面發揮著關鍵作用。

其創新反應堆和燃料循環國際項目(INPRO)也通過支持各國的規劃和合作，幫助推動快堆的開發和部署以及相關的燃料循環。

雖然歐洲和美國對FNR重新產生了興趣，但目前為止，這僅限于設計討論，如GIF、SNETP和美國VTR，或由有限的政府資金支持的私人公司倡議。

8、國家支持

在一個日益關注有限能源供應、全球變暖和環境問題的世界，FNR的優勢是顯而易見的。

它們為燃料的多次再利用提供了前景，并提供了一種燃燒危險的高濃度廢物的方法，同時還能生產清潔的電力。

俄羅斯的BN反應堆已經證明了鈉冷卻FNR的商業可行性，而其鉛冷卻布雷斯特反應堆和相關的ODEK項目正在進行中，以證明基于FNR的完全封閉燃料循環的可行性，在該循環中，特別開發的燃料可以回收，廢物可以在單個地點再處理。

然而，FNR如果想進一步發展，就如一般的核電發展那樣，不能由私人倡議，需要政府的認真承諾。

過去三十年來，FNR技術和部署方面唯一真正的進步發生在印度、中國，尤其是俄羅斯，這并非巧合。

在這些國家，國家對此類雄心勃勃的計劃的支持是一貫的。

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