在北京市西六環(huán)外的中國原子能科學(xué)研究院內(nèi)，一座看似普通的白色建筑，卻見證著我國四代核電技術(shù)的研發(fā)之路。建筑正門上方的六個大字，則是道破了其中的玄機——中國實驗快堆。

中國實驗快堆是我國首個快中子反應(yīng)堆(以下簡稱“快堆”)，也是我國快堆技術(shù)發(fā)展的基石。作為我國“熱堆—快堆—聚變堆”核能“三步走”戰(zhàn)略的中間環(huán)節(jié)，快堆的發(fā)展一直集聚著行業(yè)的目光，同時也是全球四代核電的發(fā)展方向之一。

“第四代核能系統(tǒng)以其綜合性優(yōu)勢，向人們展示著核能發(fā)展新階段。通過建立快堆核能系統(tǒng)，實行閉式燃料循環(huán)，可以實現(xiàn)鈾資源循環(huán)利用，將鈾資源利用率從當(dāng)前的不到1%提高到60%左右，核裂變能發(fā)展預(yù)期從百年時間尺度將延長到千年尺度。”中國原子能科學(xué)研究院副總工程師周培德表示。

“具有鈾資源利用率高、反應(yīng)堆固有安全性高、高放廢物最小化等優(yōu)勢”

“熱堆—快堆—聚變堆”核能“三步走”戰(zhàn)略，是我國1983年在核能發(fā)展技術(shù)政策論證會上首次提出的核能發(fā)展總戰(zhàn)略，其核心內(nèi)容是解決我國核能可持續(xù)發(fā)展、核燃料長期安全有效供應(yīng)的問題。

“‘熱堆—快堆—聚變堆’的核能‘三步走’戰(zhàn)略，對于保障我國的能源安全有著重要意義，是符合我國國情的核能發(fā)展戰(zhàn)略，也能夠引領(lǐng)世界核能發(fā)展的技術(shù)方向。”中核集團戰(zhàn)略規(guī)劃部副主任施慶瑜介紹。

目前，我國熱堆技術(shù)日臻成熟，熱堆在核能發(fā)電中的占比達到90%以上，是近中期我國核電發(fā)展的主力堆型，將在支撐我國“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)、優(yōu)化能源電力結(jié)構(gòu)、建設(shè)新型能源體系中發(fā)揮重要作用。

相比熱堆技術(shù)，周培德向記者介紹，快堆核能系統(tǒng)具有鈾資源利用率高、反應(yīng)堆固有安全性高、高放廢物最小化等優(yōu)勢。

如在鈾資源利用率方面，目前三代核電主流堆型為壓水堆，屬于熱堆范疇，其反應(yīng)主要原料為鈾-235，而鈾-235在自然界天然鈾中的比重僅為0.7%左右。快堆則可充分利用天然鈾中占比高達99.3%的鈾-238作為反應(yīng)原料，這一特性可以讓天然鈾的利用率從目前的不到1%，提高到60%以上。

同時，周培德介紹稱，快堆對鈾的循環(huán)利用，表現(xiàn)在兩個方面，既可以利用壓水堆乏燃料后處理回收的鈾(俗稱堆后鈾、回收鈾)，也可以利用濃縮鈾(即壓水堆燃料)生產(chǎn)剩下的尾料(俗稱貧鈾)。因此，熱堆和快堆組合發(fā)展，并建立快堆的燃料循環(huán)，是充分利用鈾資源的根本途徑。

“這一特性在行業(yè)內(nèi)部叫實現(xiàn)核燃料的增殖，因此快堆也被稱為增殖堆。”周培德表示。

另外，對于核電產(chǎn)業(yè)來說，安全是發(fā)展的紅線。快堆反應(yīng)堆容器內(nèi)的工作壓力稍高于一個大氣壓，屬于低壓系統(tǒng)，冷卻劑的工作溫度比沸點低三百多度，熱工裕度大，加之反應(yīng)堆的固有安全性高，以及能夠采用非能動系統(tǒng)排出事故情況下的反應(yīng)堆余熱，這些特性的加持讓快堆的安全性更上一個臺階。

“發(fā)展快堆技術(shù)對于推進核燃料閉式循環(huán)、促進我國核能可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，建成先進的快堆核能系統(tǒng)將是具有劃時代意義的核工業(yè)發(fā)展豐碑。”周培德表示。

“一個廠址內(nèi)即可實現(xiàn)更為高效的閉式燃料循環(huán)”

當(dāng)然，發(fā)展快堆技術(shù)并不意味著放棄熱堆技術(shù)。“核能‘三步走’不分先后，需要實現(xiàn)并行發(fā)展、接續(xù)發(fā)展。”施慶瑜表示。

“核能‘三步走’往下一層的技術(shù)政策延伸，必然是熱堆和快堆的閉式燃料循環(huán)。熱堆和快堆同屬核裂變能，而聚變堆屬于核聚變能。熱堆和快堆本質(zhì)上使用的都是天然鈾。通過熱堆和快堆的組合發(fā)展，讓核燃料循環(huán)利用，從而實現(xiàn)有限鈾資源的最大化利用，進而支撐核裂變能千年尺度的持續(xù)發(fā)展。”周培德從資源有效利用角度詳細(xì)介紹了熱堆—快堆—聚變堆“三步走”的底層邏輯。

在此基礎(chǔ)上，周培德還向記者提出了“一體化快堆”的概念。

快堆核能系統(tǒng)由快堆核電站、快堆燃料制造廠、快堆乏燃料后處理設(shè)施等部分組成。“一體化快堆”是同廠址布置的快堆核能系統(tǒng)的簡稱。即將快堆、燃料再生子項(含乏燃料后處理和新燃料制造)及其他配套子項置于同一廠址，從而構(gòu)成廠內(nèi)核燃料自持循環(huán)、快速循環(huán)的完整核能系統(tǒng)。

“其實就是在一個核電廠址內(nèi)，既有核電站，也包括核燃料制造以及乏燃料后處理等部分，在一個廠址內(nèi)即可實現(xiàn)更為高效的閉式燃料循環(huán)。”周培德解釋稱。

在周培德看來，快堆核能系統(tǒng)同廠址，是快堆技術(shù)、燃料循環(huán)技術(shù)的重要發(fā)展方向。在經(jīng)濟性、安全性、可持續(xù)性、環(huán)境友好性等衡量第四代核能系統(tǒng)的指標(biāo)方面，一體化快堆綜合指標(biāo)更優(yōu)，是保障國家能源安全、鈾資源安全、核廢物環(huán)境安全的重要技術(shù)選擇，同時也是助力碳達峰碳減排核裂變能解決方案。“一體化快堆是核能領(lǐng)域‘戰(zhàn)略性、全局性、前瞻性’的大事。”

根據(jù)中國核能行業(yè)協(xié)會測算，到2060年，我國核電裝機規(guī)模要到4億千瓦。“在安全可靠有保障的鈾資源供給條件下，繼續(xù)大規(guī)模建設(shè)壓水堆到2億千瓦裝機，并采用一體化快堆來接續(xù)，將是2060年實現(xiàn)核裂變能總裝機接近4億千瓦目標(biāo)的可行技術(shù)途徑。”周培德指出。

不過要實現(xiàn)一體化快堆的建設(shè)仍任重道遠。“一體化快堆仍需突破先進反應(yīng)堆、先進燃料、先進后處理等關(guān)鍵技術(shù)，需要工程技術(shù)等方面實現(xiàn)重大創(chuàng)新。”周培德坦言。

在此背景下，中核集團主動謀劃快堆發(fā)展，已先行自主投入加快研發(fā)一體化快堆，構(gòu)建了“熱堆—快堆”的“二元”裂變核能體系，為我國能源安全發(fā)展提出了系統(tǒng)性的解決方案，積極發(fā)揮著高水平科技自立自強的中堅作用。

記者注意到，中核集團在2021年工作會議上明確，“十四五”期間要加快一體化閉式循環(huán)快堆核能系統(tǒng)的研發(fā)。據(jù)悉，目前該項目已開展大量研究工作，并已取得階段性成果。

“下一步，我們將加快推動‘華龍一號’核電機組規(guī)模化發(fā)展和優(yōu)化改進，提高壓水堆發(fā)展效益。同時發(fā)揮一體化快堆和可控核聚變創(chuàng)新聯(lián)合體作用，攻克關(guān)鍵核心技術(shù)難題