快堆和我國核能的可持續發展①

徐 銤

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

快堆和我國核能的可持續發展①

徐 銤

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

我國核能發展戰略的第二步——快堆，因其易裂變燃料在堆中可增殖和可嬗變高放長壽命核素的特性，實現熱堆－快堆匹配閉式核燃料循環可保證核能的可持續發展。作為我國快堆工程技術發展的起步，65 MW熱功率中國實驗快堆已處調試階段。在當前壓水堆發展計劃的基礎上，加快快堆及其相關閉式核燃料循環的發展以實現如下三個戰略目標：（1）2030年前批量建成示范快堆，增加核電容量；（2）2050年核電容量發展到240 GW，約占國家總電力生產的16%；（3）2050－2100年實現核能大規模替代化石能源，大大減少CO2的排放。

快堆；可持續發展；增殖；嬗變

我國國民經濟持續高速發展，相應的，一次能源的生產也有較快的增長速度。表1列出了2001－2006年我國一次能源生產的發展情況。

能源的可持續、安全的供應是國家穩定發展的重要保證。核能是能源大家庭中的新成員，它具有安全性、可靠性、清潔性、經濟性，可以大規模利用。我國已決定到2020年，核電運行裝機容量將達到4 000萬千瓦，在建裝機容量將達到1 800萬千瓦。1990年，國務院核電辦、國家計委、國家科委、能源部、機電部、中國核工業總公司等共同制定了我國核電發展“八五”計劃和“十年規劃綱要”，隨后，國務院核電領導小組組織全國性論證，提出了2050年我國核電將發展到約240 GW，占總發電量的16%～20%。未來，核能將大規模替代化石燃料，進而減少CO2的排放。

表1 我國一次能源生產Table 1 Primary energy production in China

1 核能的可持續發展

我國是發展中國家，對能源需求很大，所以不僅需要大量的核能作為能源保證，而且核能增長速度也要加快。

1.1 發展快堆，消除大規模核能應用引起的鈾資源匱乏之虞

天然鈾中，易于裂變的鈾-235只占0.71%左右。對于1 000 GW的核電站，建壓水堆只要用建快堆一半鈾-235的量就能運行，所以各國發展核能都是從熱中子堆開始的。但是壓水堆對鈾資源的利用率太低，如果燃料一次通過，只能利用鈾資源的0.45%左右；若乏燃料經后處理，提取出未燒盡的鈾-235和由鈾-238轉換出來的钚，再返回堆中利用，且無限次循環，考慮損耗，從數學上也只能利用1%左右，而從中子學的角度是難以實現的。

所以，一座1 000 MW壓水堆，燃料一次通過，60年壽命總共要消耗10 000 t天然鈾。大規模發展壓水堆，應考慮到可采鈾資源的有限性和可采鈾資源實際上存在的不確定性。

快堆是我國核能發展基本戰略中的第二步。快堆中引起裂變鏈式反應的中子平均速度比熱中子堆的中子快上千倍。快堆運行發電時，一方面消耗易裂變燃料，另一方面又生產新的易裂變燃料，而且能達到所產多于所耗，易裂變燃料得到了增殖，所以快堆又稱為快中子增殖堆。在快堆中真正消耗的是鈾-238。

發展快堆，燃料無限次循環，從理論上可將鈾資源的利用率提高到100%。考慮到燃料后處理和制造中的損耗，如圖1所示，利用率可達60%～70%。比起發展壓水堆，鈾資源的利用率可提高60～70倍，甚至130～150倍。

钚在快堆中有好的中子經濟性，壓水堆生產的钚最適于作快堆的燃料。鈾-235作為壓水堆裝料，壓水堆生產的钚作為快堆初裝料，快堆自己增殖，通過閉式循環，將天然鈾充分地利用，這是一個自然的完美匹配，所以我國核能發展的基本戰略是熱堆——快堆——聚變堆。

1.2 發展快堆，焚燒和嬗變熱堆運行生產的高放長壽命核素，消除環境之憂

核能的發展除應考慮核燃料是否能支撐大規模核電裝機容量發展的問題，還應考慮乏燃料中的長壽命核廢物的問題。表2列出了壓水堆核電站運行時產生的長壽命核廢物。

這些長壽命廢物要衰變三四百萬年才能降到與天然鈾相當的放射性毒性水平。

隨著核電裝機容量的增長，次量錒系核素（MA）和長壽命裂變產物（LLFP）的積累會對環境產生潛在威脅，必須妥善處置，最好的辦法是將它們嬗變掉。

圖1 鈾資源的利用率與轉換比或增殖比的關系[1]Fig.1 Relation of uranium utilization rates with converter or breeding ratio

快堆是以快中子運行的堆，這些MA在快堆中可以當裂變燃料燒掉，國外研究[2-5]指出，一座1 000～1 500 MW大型快堆，可以嬗變掉5～10座同等功率的壓水堆所產生的MA，對LLFP可在快堆反射層中建立高通量熱中子區輻照嬗變掉。加速器驅動次臨界系統（ADS）嬗變能力更強，它實用后可使深埋廢物量大為減少。

表2 壓水堆長壽命核廢物產量[2-5]Table 2 Long-lived nuclear wastes produced by PWR

2 建議快堆發展規劃

鈉冷快堆在我國是一種全新的核工程技術，為降低工程發展中的技術經濟風險，建議我國快堆工程發展分為三步：中國實驗快堆（CEFR），中國示范快堆（CDFR），大型增殖經濟驗證性快堆（CDFBR），繼而商用推廣，見表3。

在CDFR之后，考慮了兩種可能性，一是參與我國核電容量的發展，即可模塊化、一址多堆地推廣CDFR型電站，稱為CCFR-B增殖堆核電站；另一種可能性是如果MA分離技術、在快堆中嬗變MA和長壽命裂變產物的經驗已足夠,如ADS技術尚未成熟，便一址多堆地推廣CDFR，稱為CCFR-T焚燒堆核電站。圖2給出了用批量600 MW快堆焚燒2020年和2030年壓水堆分別發展到32 GW和50 GW產生的MA量的降低趨勢。800～900 MW CDFR將有更高的焚燒效率。

所以第一個戰略目標是2020年前建成800～900 MW中國示范快堆核電站，2030年一址多堆地推廣運行，如5～6座800～900 MW的商用快堆電站。

表3 我國快堆發展戰略研究Table 3 A study on the fast reactor development strategy in China

圖2 MA嬗變戰略Fig.2 Transmutation strategy

圖3 預計的我國電力發展Fig.3 Envisaged electricity capacity development in China

圖4 估計的國家總電力裝機與快堆總裝機的發展Fig.4 Estimated installed capacity of the total electric power and fast reactor

大規模發展核電，如達到100 GW以上，現實的解決途徑是壓水堆－快堆匹配發展并實現閉式燃料循環。如果（1）我國壓水堆的裝機容量2020年和2030年至少分別發展到40 GW和60 GW。（2）大型增殖快堆采用鈾钚鋯三元合金，其燃料循環參數如表4所示。（3）適時配套閉式核燃料循環。

根據分析，只要2030年左右能批量建成高增殖（鈾钚鋯裝料）快堆CCFBR，則壓水堆給快堆的钚的積累和快堆自身增殖，理論上可以使我國核電在2050年發展到353 GW容量水平。圖3給出了我國電力裝機的發展預測，即單獨快堆發展到201 GW。

所以第二個戰略目標是實現2050年核電裝機容量發展到約240 GW。

由圖3看出，預計2050年我國總電力裝機容量將達到1 650 GW。發展高增殖快堆，可使燃料年增率超過10%。理論上，可以在2100年前，實現從2050年全國電力1 650 GW起，年增長率按5%達到的總電力裝機全部由快堆提供（見圖4），顯示了可能對國家減少CO2排放有重大的意義。

表4 快堆燃料循環參數[6]Table 4 Parameters of fast reactor fuel cycle

所以我國發展快堆的第三個戰備目標是2050－2100年用核能大量替代化石燃料，實現減排CO2為目前之半的目標。

3 結語

我國快堆技術的發展，從開始基礎研究到工程發展的第一步中國實驗快堆已經歷了40余年的歷史，選定了實驗快堆、示范快堆，商用快堆一致的主要技術選擇。中國實驗快堆已具備原型快堆的特征，為后續快堆打下自主設計、自主建造的基礎。制定的我國快堆發展目標，包括可持續性、經濟性、安全性、可靠性、環境要求及防核擴散等目標與國際上第四代先進核能系統是一致的。發展快堆和閉式燃料循環與快速發展的壓水堆匹配起來，一定能實現我國核能的安全、經濟、環境無憂和大規模的可持續發展。

[1] Status of Liquid Metal Cooled Fast BreederReactors[R].TRS.246,IAEA ,1985: 4.

[2] A.N.Shmelev et al. Radio-wastes Transmutation in Nuclear Reactors[R]. IAEA- TECDOC-693, IAEA, 1993:77.

[3] L.Koch, Status of Transmutation[R]. IAEATECDOC-693, IAEA, 1993：13.

[4] H. Sztard et al. Minor Actinides recycling in an EFR type fast neutron reactor[R].IAEATECDOC-692, IAEA, 1993: 25.

[5] T.Mukaiyama, Partitioning and Transmutation research and development program (OMEGA)[R]. IAEA-TECDOC-693, IAEA, 1993: 30.

[6] Fast Breeders, Report of INFCE Working Group 5[R].IAEA VIENNA, 1980: 178.

Fast reactor and sustainable nuclear energy development in China

XU Mi
(China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China)

With fast reactor, the second step of the nuclear energy development strategy in China, thermal reactor-fast reactor matched with closed nuclear fuel cycle will be realized to ensure a sustainable development of nuclear energy, thanks to its unique characteristics as in that the fissile material could be bred and long-lived high radioactive nuclides could be transmuted. As the start up of fast reactor engineering development, the 65MWtChina Experimental Fast Reactor is now under commissioning and testing stage. Based on the recent program of PWR development, it is suggested to quicken the development of fast reactor and related closed nuclear fuel cycle for realization of three strategic targets: (1) to operate CDFR type plants in batches for increasing the nuclear capacity before 2030; (2) to increase the nuclear capacity up to around 240 GW, sharing 16% of the total electric power production in 2050; and (3) to realize the replacement of fossil fuel by nuclear and the decrease of CO2emission in large scale.

fast reactor；sustainable development of nuclear energy；breeding； transmutation

TL43

A

1674-1617(2009)02-0106-05

2008-09-14

徐 銤（1937—），男，江蘇揚州人，研究員，從事反應堆工程和安全研究。

①：本文系2008年核能行業協會年會交流報告，后經補充修改。