掌握快堆技術(shù) 促進核能可持續(xù)發(fā)展

■ 中國原子能科學(xué)研究院

掌握快堆技術(shù) 促進核能可持續(xù)發(fā)展

■ 中國原子能科學(xué)研究院

2010年7月21日上午9點50 分，我國第一座快堆也是本世紀(jì)世界上建成的第一座快堆——中國實驗快堆成功實現(xiàn)了首次臨界。這是我國核能發(fā)展史上具有里程碑意義的重大事件，是我國核能技術(shù)開發(fā)和核科技創(chuàng)新的巨大成就，對促進我國核電可持續(xù)發(fā)展和先進燃料循環(huán)體系建立具有重要意義，對世界快堆技術(shù)的發(fā)展也是一個重要的貢獻。

中國原子能科學(xué)研究院快堆科技工作者發(fā)揚“以身許國，敢為人先，嚴(yán)謹求實”的401精神，用近半個世紀(jì)的追求，用幾代人的堅持和奮斗，經(jīng)過曲折和艱辛，終于贏得這一激動人心時刻的到來！

一、發(fā)展快堆技術(shù)的重大意義

發(fā)展快堆主要有兩大優(yōu)勢：一是增殖核燃料，它可將天然鈾中99%以上在壓水堆中不能利用的鈾-238轉(zhuǎn)化成易裂變?nèi)剂项?239供壓水堆和快堆使用，將鈾資源利用率提高到60%以上，解除核燃料供應(yīng)不足的后顧之憂。二是焚燒長壽命放射性核素，快堆既可利用壓水堆乏燃料中的反應(yīng)堆钚生產(chǎn)電能，又可將乏燃料中的長壽命放射性核素?zé)舨⑥D(zhuǎn)化成電能，變廢為寶，將放射性危害減至最小。顯然，快堆具有“節(jié)約高效”和“清潔環(huán)?！钡奶攸c，它與壓水堆匹配發(fā)展，形成閉式燃料循環(huán)系統(tǒng)，可以有效實現(xiàn)核能的可持續(xù)發(fā)展，符合我國建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的發(fā)展要求。因此，我國核能發(fā)展戰(zhàn)略是熱中子反應(yīng)堆（壓水堆）—快中子反應(yīng)堆（快堆）—聚變反應(yīng)堆“三步走”。

2010年4月18日，中共中央政治局委員、國務(wù)委員劉延?xùn)|視察原子能院工作。

快堆是繼壓水堆之后發(fā)展起來的先進核電堆型，是第四代核電技術(shù)的主力堆型。2000年以來，以美國為首提出的第四代先進核能系統(tǒng)的6種堆型中有3種是快堆，其中最成熟的是鈉冷快堆，就是中國實驗快堆這種類型。

二、中國實驗快堆項目概況

上世紀(jì)60年代中期，我國的快堆研究起步。中國原子能科學(xué)研究院開始在快堆物理、熱工、結(jié)構(gòu)材料和鈉工藝等方面開展了一些基礎(chǔ)研究，并建成了一批小型實驗裝置。其中，最具有代表性的研究成果是1969年由周恩來總理特批50公斤高濃鈾建成的“東風(fēng)-6號”零功率實驗裝置，實現(xiàn)了我國快堆技術(shù)發(fā)展“零”的突破。進入80年代，改革開放的春風(fēng)給我國的高科技發(fā)展帶來了勃勃生機。1986年3月，鄧小平同志對中國原子能科學(xué)研究院王淦昌院士等四位科學(xué)家提出的關(guān)于我國應(yīng)跟蹤世界高技術(shù)前沿的建議信函作出重要批示，從而催生了“863”高技術(shù)研究發(fā)展計劃。經(jīng)來自全國煤炭、石油、水力、核能、電力、礦產(chǎn)等各領(lǐng)域幾百位專家的充分論證，快堆項目脫穎而出，被列入“863”計劃能源反應(yīng)堆主題項目。中國原子能科學(xué)研究院就此開始了針對設(shè)計和建造中國實驗快堆的前期技術(shù)研究。1992年3月，該項目被列為“863”計劃能源領(lǐng)域發(fā)展計劃中的重點項目。1995年12月，由國家計委和國家科委聯(lián)合批準(zhǔn)工程立項。1997年8月，被國家科委批準(zhǔn)為“863”計劃重大項目。2006年，快堆作為前沿技術(shù)列入國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃。2007年12月，國家科技部和國防科工委聯(lián)合批復(fù)，確定了中國實驗快堆工程“十一五”的建設(shè)目標(biāo)及項目經(jīng)費和工程投資。國家科技部、國防科工局和中核集團公司三家共同出資，總經(jīng)費25.03億元。

中國實驗快堆，熱功率65MW，實驗發(fā)電功率20MW，采用堆本體池式結(jié)構(gòu)，首爐使用UO2燃料并最終過渡到MOX燃料，液態(tài)金屬鈉作冷卻劑，熱傳輸系統(tǒng)采用鈉、鈉、水三回路系統(tǒng)，并在世界上首次實現(xiàn)了完全靠設(shè)置在一回路的非能動事故余熱排出系統(tǒng)排出事故工況下的余熱。該技術(shù)方案符合世界快堆發(fā)展趨勢，主要參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)置接近商用快堆，具備了大部分原型快堆的一些結(jié)構(gòu)特點，適宜于向下一步商用快堆電站跨越。中國實驗快堆還采用了負反饋設(shè)計、非能動安全系統(tǒng)等前瞻性安全設(shè)計，以保證環(huán)境和公眾的絕對安全，其安全特性指標(biāo)已達到第四代先進核能系統(tǒng)的要求。

中國實驗快堆工程在完成前期研究后，1997年11月初步設(shè)計得到國家科委批準(zhǔn)，1998年10月開始主廠房負挖，2000年5月取得國家核安全局頒發(fā)建造許可證，并于5月30日開工，2002年8月實現(xiàn)了反應(yīng)堆主廠房封頂，2005年8月堆容器首批部件吊入反應(yīng)堆大廳開始堆本體安裝，2008年12月完成全部安裝并開始調(diào)試，2009年8月完成了裝料前的全部準(zhǔn)備工作，并于9月取得國家核安全局頒發(fā)的裝料許可證，2010年6月5日開始裝料。2010年7月21日實現(xiàn)了首次臨界，目前堆芯共裝載燃料組件72根。

中國實驗快堆是一個全新的重大科學(xué)工程，其規(guī)模已接近核電站。從技術(shù)上講，不但涉及研究、設(shè)計、土建、安裝、設(shè)備制造、調(diào)試、運行、核安全、環(huán)境評價、核工程管理等多方面技術(shù)，也是集核科學(xué)、材料、機械、電子、計算機、信息、化工、電力等工業(yè)技術(shù)于一體的綜合性項目。設(shè)計起點高，技術(shù)難度大，接口復(fù)雜。從工程量講，全廠共有16個建筑子項，建筑面積近5萬平方米，系統(tǒng)200多個，設(shè)備7000多臺套；工程共澆筑混凝土11萬立方米，使用鋼筋2.3萬噸，安裝管道90公里，敷設(shè)電纜1100公里；共完成設(shè)計文件5000多冊，調(diào)試技術(shù)文件約600冊、運行維保規(guī)程約600冊、各類研究報告約1200個，開展設(shè)計驗證近60項，調(diào)試試驗1000多項，合同總數(shù)達1600多個。

2010年8月17日，國際原子能機構(gòu)總干事天野之彌參觀考察中國實驗快堆。

實驗快堆反應(yīng)堆大廳

堆芯組件

三、項目實施取得的主要成果

按照國家文件批復(fù)，要在“十一五”末建成我國第一座快堆，取得快堆技術(shù)上的突破，實現(xiàn)“建立裝置，掌握技術(shù)，培養(yǎng)人才，開展實驗”的建堆目標(biāo)。

以此為目標(biāo)，中國原子能科學(xué)研究院作為快堆研發(fā)的歸口組織單位和主要研發(fā)任務(wù)的承擔(dān)單位，作為中國實驗快堆工程設(shè)計總包和核島主工藝設(shè)計者，作為工程建設(shè)業(yè)主和建成后的運營單位，20多年以來，組織國內(nèi)數(shù)百家高校、研究、設(shè)計、設(shè)備制造和建筑安裝施工單位，包括中核集團公司下屬的多家單位和國內(nèi)多家知名的核電企業(yè)，參與了工程的研究、設(shè)計和建造。中國實驗快堆建成，既是全體參建單位艱苦奮斗、團結(jié)拼搏、大力協(xié)同的結(jié)果，也是一個以我為主、自主創(chuàng)新、聯(lián)合攻關(guān)的過程。通過項目實施，中國原子能科學(xué)研究院在實驗設(shè)施、技術(shù)、人才、經(jīng)驗等方面取得了豐碩的成果。

1．技術(shù)能力得到重大突破

通過項目實施，我國目前已經(jīng)掌握快堆絕大部分核心技術(shù)。建立了一套快堆標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，開發(fā)出了一套用于鈉冷快堆設(shè)計和安全評價的軟件庫，形成了可開展快堆物理、熱工、力學(xué)、安全、材料、燃料、設(shè)備等方面研究的幾十套實驗裝置。通過中國實驗快堆的自主設(shè)計和建造，我國已形成實驗快堆規(guī)模的快堆設(shè)計、建造、調(diào)試和運行能力，這為下一步商用快堆電站的開發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2．產(chǎn)學(xué)研合作促進產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步

通過與全國多家企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)，實驗快堆設(shè)備國產(chǎn)化率達到70%。其中包括中國原子能科學(xué)研究院與中國第一重型機械集團聯(lián)合研制的反應(yīng)堆關(guān)鍵設(shè)備——堆容器與旋塞，與蘭太實業(yè)公司聯(lián)合生產(chǎn)的快堆關(guān)鍵材料——核級鈉，與上海電氣集團等企業(yè)聯(lián)合開發(fā)成功的控制系統(tǒng)——全自動換料系統(tǒng)，與中核北京核儀器廠等企業(yè)聯(lián)合研制出的關(guān)鍵安全系統(tǒng)——快堆核測、控制與保護系統(tǒng)，與上海一機床共同研制成功的轉(zhuǎn)運機、反射層組件和屏蔽組件等。這標(biāo)志著我國已經(jīng)形成基本配套的快堆工業(yè)體系。

3．知識產(chǎn)權(quán)和人才培養(yǎng)取得雙豐收

通過項目實施，新編標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)150多個，申報專利165項，獲得專利授權(quán)73項，獲得部級以上科技獎51項，預(yù)計最終將獲得專利150多項，成果200多項。目前，中國原子能科學(xué)研究院擁有了一支近400人的高水平快堆技術(shù)研發(fā)團隊，特別是通過研究轉(zhuǎn)設(shè)計、設(shè)計轉(zhuǎn)調(diào)試、調(diào)試轉(zhuǎn)運行的技術(shù)隊伍一體化組織模式，培養(yǎng)了一批快堆的“全能選手”和業(yè)務(wù)骨干。以此為基礎(chǔ)，我國有能力跨過原型快堆而直接發(fā)展商用快堆電站，實現(xiàn)快堆技術(shù)的跨越發(fā)展。

四、我國實驗快堆首次臨界后的后續(xù)研發(fā)及設(shè)想

位于內(nèi)蒙古的大型核級鈉生產(chǎn)基地

中國實驗快堆首次臨界后，接下來將繼續(xù)進行控制棒價值測量、反應(yīng)性反饋測量、裂變率分布測量等第二階段的試驗，在此之后進入提升功率的第三試驗階段，計劃2011年上半年并網(wǎng)發(fā)電。

中國實驗快堆，為我國核能技術(shù)開發(fā)提供了一個新的研發(fā)平臺。建成后的中國實驗快堆，將進一步驗證其各項性能，進行安全運行技術(shù)研究，積累鈉冷快堆運行經(jīng)驗；作為我國首座快中子輻照裝置，輻照考驗燃料和材料，突破燃料和材料技術(shù)；也作為鈉冷快堆電站的工況環(huán)境，考驗實驗堆規(guī)模的國產(chǎn)設(shè)備，為商用快堆電站設(shè)備研制積累經(jīng)驗。目前，已有國家“863”計劃、國防預(yù)研、國防技術(shù)基礎(chǔ)、核能開發(fā)等多個渠道對下一步的快堆研發(fā)工作予以支持。中核集團公司和中國原子能科學(xué)研究院也自籌資金正在開展相關(guān)技術(shù)研究。因此，建成后的中國實驗快堆，不僅是國內(nèi)快堆技術(shù)研發(fā)和核燃料循環(huán)技術(shù)研發(fā)的重要基地，也是快堆國際技術(shù)交流的重要平臺。

在“863”計劃中國實驗快堆項目研發(fā)的初期，中國原子能科學(xué)研究院就提出了建設(shè)快堆研究中心的設(shè)想。原國務(wù)委員宋健1990年還參加了中國原子能科學(xué)研究院快堆研究中心綜合大樓的奠基儀式，原國務(wù)院副總理鄒家華在1992年親筆題寫了“中國快堆研究中心”。國家能源局2010年1月在中國原子能科學(xué)研究院掛牌成立了“國家能源快堆工程技術(shù)研發(fā)（實驗）中心”，該中心將以中國實驗快堆為核心，周邊配套物理、熱工、材料、燃料、鈉工藝研究等實驗室，并計劃新建一批新的實驗大樓，依靠中國原子能科學(xué)研究院在快堆研發(fā)方面形成的技術(shù)和人才基礎(chǔ)，逐步成為國家核能發(fā)展戰(zhàn)略研究咨詢中心、國家快堆技術(shù)研究中心、國家快堆電站技術(shù)支持中心、國家快堆核電裝備制造技術(shù)支持中心和國家先進燃料循環(huán)體系的技術(shù)研發(fā)中心。

在國家相關(guān)部門大力支持下，中國原子能科學(xué)研究院正以“創(chuàng)新技術(shù)、培養(yǎng)人才、推進產(chǎn)業(yè)化”為目標(biāo)，通過快堆研發(fā)課題和快堆電站技術(shù)開發(fā)等重大項目的帶動，通過自主創(chuàng)新和國際合作，全面形成中國原子能科學(xué)研究院在快堆研發(fā)、設(shè)計、建造技術(shù)服務(wù)和工程承包能力，繼續(xù)為我國快堆技術(shù)研發(fā)、核能可持續(xù)發(fā)展和核科技創(chuàng)新能力提升作出新的貢獻！

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