中國快堆應(yīng)有一席之地  快堆是世界上第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的主力堆型，代表了核能的發(fā)展方向。它與其它裝置組成的核燃料閉式循環(huán)系統(tǒng)，可使鈾資源利用率由現(xiàn)在1%左右提高到60%以上;還可使長衰變周期核廢料產(chǎn)生量得到最大程度的降低，實(shí)現(xiàn)放射性廢物最小化，造福子孫后代?？於延羞@么多明顯的優(yōu)勢，為什么問世者寥寥無幾?原因有多方面。有大家對(duì)快堆優(yōu)劣勢的認(rèn)識(shí)差異，有對(duì)其技術(shù)難度的評(píng)估差異以及其所帶來的安全、經(jīng)濟(jì)上的考量，關(guān)鍵還有對(duì)其迫切性的估量。統(tǒng)觀上述問題，對(duì)中國來說，現(xiàn)在應(yīng)該是快堆核電啟動(dòng)的一個(gè)大好機(jī)會(huì)，核能發(fā)展計(jì)劃中應(yīng)該有快堆發(fā)展的一席之地?？於押穗姂?yīng)該有所作為了。

“成熟”的新兵

      用“起大早趕晚集”來形容快堆是很貼切的，快堆被公認(rèn)為四代堆的主力堆型之一，但與其它幾個(gè)四代堆型很明顯不一樣的地方是其悠久的歷史。早在1946年世界首個(gè)快堆就誕生在美國，在這之后世界各國陸續(xù)有22個(gè)堆投入運(yùn)行，共積累了300多堆年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。更值得一提的是這些反應(yīng)堆不僅僅是實(shí)驗(yàn)堆，中間還不乏一些“大塊頭”。其中1985年投入運(yùn)行的法國“超鳳凰”，1200MWe的容量即使在今天也不算小;而俄羅斯的BN600原型快堆核電站已穩(wěn)定運(yùn)行了34年，平均負(fù)荷因子超過了70%，積累了豐富的快堆運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，為快堆樹了一個(gè)最好的樣板。在此基礎(chǔ)上優(yōu)化和完善的BN800商用示范快堆目前已完成物理啟動(dòng)，預(yù)計(jì)年底并網(wǎng)發(fā)電，俄羅斯在快堆研發(fā)方面確實(shí)是走在了世界前列。法國、日本在快堆發(fā)展過程所碰到的問題，對(duì)世界快堆在技術(shù)難題的攻克方面也起到了極大的正面意義。有經(jīng)驗(yàn)支撐，比一些還在概念階段的四代技術(shù)在底氣上就足了很多，走上示范或商業(yè)推廣道路就會(huì)簡單很多。世界第四代反應(yīng)堆堆型發(fā)展情況如表1所示。

“一席之地”有支撐

      1.核燃料經(jīng)濟(jì)性開采有時(shí)間期限

      核燃料在自然界的貯量是有限的。目前，全球已探明鈾資源(開采成本低于130美元/kgU)總量為532.72萬tU，2010年全球核電裝機(jī)容量375GW，年度核電鈾消耗量6.3875萬tU。

      隨著核電的發(fā)展，鈾資源越來越緊缺，鈾資源穩(wěn)定供應(yīng)將是一個(gè)可能的制約因素，因此在一定時(shí)候增加一些快堆份額，是降低這種風(fēng)險(xiǎn)最佳的選擇。

      2.快堆及其閉式燃料循環(huán)技術(shù)

      為了解決鈾資源利用瓶頸問題，國際原子能機(jī)構(gòu)于2000年發(fā)起“創(chuàng)新型反應(yīng)堆和燃料循環(huán)國際計(jì)劃(INPRO)”，旨在通過研發(fā)新型反應(yīng)堆，建立核燃料循環(huán)體系來充分利用核能資源，并實(shí)現(xiàn)核廢物的最少化，使核能可持續(xù)發(fā)展。我國為其成員國之一?？於鸭捌溟]式燃料循環(huán)技術(shù)是指從壓水堆中卸出的乏燃料經(jīng)過后處理廠處理，回收燃料Pu和U，經(jīng)過MOX燃料廠制成快堆的燃料再循環(huán)利用，同時(shí)快堆的乏燃料(包括增殖產(chǎn)生的Pu)經(jīng)過后處理廠處理后，由MOX燃料廠制成壓水堆的燃料再循環(huán)利用?？於雅c壓水堆匹配發(fā)展，會(huì)大大提高鈾資源的利用率，無核燃料匱乏之虞?？於鸭捌溟]式燃料循環(huán)技術(shù)如圖1所示。

      3.從核燃料供應(yīng)角度快堆不可替代

      我國的核燃料供應(yīng)面臨著更嚴(yán)峻的形勢。而經(jīng)過我們更多堆年的生產(chǎn)，存在于乏燃料中大量可用的核材料又會(huì)被擱置不動(dòng)，除了產(chǎn)生高額的處置費(fèi)外，一個(gè)良性的核燃料閉式系統(tǒng)是核電能夠與其它能源競爭的主要手段。世界各國正在聯(lián)合研發(fā)的聚變堆離商業(yè)化還有一段很長的路要走，這中間，快堆可以起到承上啟下、不可缺少的核能發(fā)展第二步關(guān)鍵作用。

      4.從示范堆研發(fā)到商用堆到大規(guī)模推廣需要時(shí)間

      眾所周知，快堆從示范到商用也是需要時(shí)間的。

      示范快堆的建設(shè)期用6年時(shí)間并不保守，很多核電示范項(xiàng)目比這還長，加上3年左右的前期，一般認(rèn)為，運(yùn)行投產(chǎn)1~2年可基本判斷此示范項(xiàng)目是否值得推廣，再按每年平均6~8個(gè)機(jī)組推廣，在中國要達(dá)到與壓水堆規(guī)模匹配也需要很長的時(shí)間。所以，從圖2中我們不難發(fā)現(xiàn)，若要維持核能的份額，那么現(xiàn)在應(yīng)該開始行動(dòng)了。

      5.實(shí)施快堆戰(zhàn)略三部曲

      中國實(shí)驗(yàn)快堆是快堆發(fā)展三部曲——實(shí)驗(yàn)、示范、商用堆的第一步，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)快堆已取得了成功，并在2011年通過了國家驗(yàn)收，繼續(xù)實(shí)施國家戰(zhàn)略，完成第二步示范快堆就擺上了議程。如果停留在這個(gè)階段不再發(fā)展，不僅無法將以前的投入產(chǎn)生更大的生產(chǎn)力，更難以保護(hù)一支難得的人才隊(duì)伍。若產(chǎn)生斷層，那帶來的損失將是無法估量。從世界范圍來看，對(duì)快堆比較感興趣的國家，幾乎都是有較大的核能計(jì)劃但核資源相對(duì)較弱的國家。我國也應(yīng)該屬于該行列。
 

安全有保障

      福島核事故后，對(duì)核電安全提出了更高的要求，對(duì)快堆的要求也不例外。作為四代堆之一，一般從工程上判斷快堆安全性應(yīng)在壓水堆之上。從實(shí)驗(yàn)快堆的PSA分析看，其堆芯熔化概率為小于10-6，從俄羅斯方面看完全可以做到堆芯熔化概率為小于10-6，嚴(yán)重事故下大量放射性物質(zhì)釋放至環(huán)境的概率小于10-8，與三代核電相比其安全性更高。但需要指出的是我們經(jīng)歷的主要堆型都是壓水堆，考慮問題的出發(fā)點(diǎn)也基于此，有時(shí)會(huì)走入一定誤區(qū)，而實(shí)際上也正由于大型快堆運(yùn)行堆年數(shù)與壓水堆相比差很多，PSA的準(zhǔn)確度也會(huì)弱一些。以下幾個(gè)方面可以更進(jìn)一步說明快堆固有的安全性：

      沒有質(zhì)能釋放。由于常壓下鈉的沸點(diǎn)超過800℃，無需加壓即可以保持液態(tài)對(duì)堆芯進(jìn)行冷卻，因此快堆對(duì)第三道安全屏障要求降低，不要求對(duì)反應(yīng)堆廠房的承壓能力，也不需要設(shè)置類似壓水堆針對(duì)這種事故的系統(tǒng)，如安全殼噴淋系統(tǒng)和安全殼事故排放系統(tǒng)，對(duì)建造和運(yùn)行可以省卻很多壓力。

      沒有氫爆擔(dān)心。由于其冷卻劑(金屬鈉)的特性，冷卻劑鈉和燃料的不銹鋼包殼之間不會(huì)產(chǎn)生像壓水堆那樣的鋯水反應(yīng)，也就不會(huì)產(chǎn)生福島這樣的氫爆，更不需設(shè)置消氫系統(tǒng)。

      沒有事故廢水。由于壓力低，加上一回路全內(nèi)置，壓水堆最擔(dān)心的LOCA事故在快堆中得以排除，加上不需要注水冷卻，談不上事故廢水一說，也就不用擔(dān)心現(xiàn)在電視里經(jīng)常報(bào)道的福島核電這樣無休止的放射性廢水泄漏，甚至于不得不向海水排放的行為。

      超強(qiáng)的耐熱能力。正常運(yùn)行時(shí)，壓水堆冷卻劑的過冷度只有40℃左右，而快堆有400℃左右，而且快堆一回路采用池式結(jié)構(gòu)，存有近千噸的鈉，具有相當(dāng)大的熱容量。同時(shí)快堆冷卻劑鈉的導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水，約為壓水堆的150多倍。因此假設(shè)在短時(shí)間內(nèi)堆芯失去冷卻能力，快堆抗沸能力會(huì)是壓水堆的幾十倍，堆芯不易過熱、沸騰。

      簡單而長久的余熱排放?，F(xiàn)在壓水堆的二次側(cè)冷卻都是在安全殼的外殼上設(shè)置水箱，利用水的重力不停地注入蒸發(fā)器二次側(cè)，再循環(huán)冷卻。因?yàn)樗涞娜莘e總是有限的，所以它的冷卻能力或冷卻時(shí)間也是有限的，而快堆充分利用鈉熱容大的特性，不用水，而用空氣的煙窗效應(yīng)就能帶走余熱，這幾乎可以保證其冷卻能力可以不受任何制約?？於咽鹿视酂釋?dǎo)出系統(tǒng)如圖3所示。

      真正非能動(dòng)停堆系統(tǒng)。在三套停堆系統(tǒng)中，其中一套是真正意義的非能動(dòng)停堆系統(tǒng)?？刂瓢衾盟π?yīng)懸浮，不管什么原因，只要在一回路冷卻劑流量下降情況下(毋需測流量)，依靠重力落入堆芯，將反應(yīng)堆控制到次臨界狀態(tài)，其可靠性和響應(yīng)時(shí)間的裕度都有很大提高。

      最后堅(jiān)固防線。當(dāng)一切控制手段失效，其內(nèi)置式的堆芯捕集器還可以承擔(dān)起救命的功能，一方面防止反應(yīng)堆重返臨界，另一方面余熱也可以通過系統(tǒng)的自然冷卻得以排除。

經(jīng)濟(jì)性考量

      快堆的經(jīng)濟(jì)性一直是個(gè)難題，各國原型快堆電站無不例外，其造價(jià)都比較高。即便自主建造，如果加上研發(fā)費(fèi)用其造價(jià)也不低，具體可參考表2。

      從資料上看世界各國也有很大差異，印度的就很便宜，因?yàn)樵跊]有形成商業(yè)開發(fā)之前，資料上的保密和統(tǒng)計(jì)口徑上的差異一直無法避免?？於训脑靸r(jià)從根本上來說與壓水堆比應(yīng)該是有增有減，沒有太多的證據(jù)可以證明造價(jià)會(huì)高很多。說快堆造價(jià)高的原因主要是三個(gè)方面：一是為了減少鈉水反應(yīng)的后果，比壓水堆多了一個(gè)回路;二是統(tǒng)計(jì)口徑中把研發(fā)費(fèi)用部分納入到建造中去;三是導(dǎo)入期非標(biāo)設(shè)備多造成的成本的增加(還有功率相對(duì)壓水堆會(huì)小一些)。

      但不管如何，經(jīng)濟(jì)上有競爭性也應(yīng)是四代核電的一項(xiàng)基本要求，所以排除一些人為的因素，以客觀科學(xué)的分析，快堆造價(jià)是壓水堆的1.2~1.3倍左右?？於训母偁幮愿_切來說更多來自天然鈾價(jià)位較高時(shí)而不是當(dāng)前。還有一個(gè)理由是，發(fā)電只是快堆的一個(gè)功能，增殖核燃料，減少長壽命核廢物，保護(hù)環(huán)境的效應(yīng)以及國防建設(shè)的貢獻(xiàn)則是難以用金錢來衡量的。

      沒有遠(yuǎn)慮，必有近憂。事關(guān)國家重大能源戰(zhàn)略的決策，要充分考慮開展的時(shí)間和其滯后效應(yīng)。何況從安全和經(jīng)濟(jì)兩方面分析，快堆也不存在不可克服的障礙。因此早規(guī)劃早受益，系統(tǒng)地考慮整個(gè)閉式燃料循環(huán)的布局，才能使方興未艾的核能發(fā)展真正有一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和可持續(xù)的發(fā)展。我們相信，只要核能在發(fā)展，就應(yīng)該有快堆的一席之地。(作者系福建福清核電有限公司副總經(jīng)理)(完)