快堆燃料循環(huán)與金屬燃料

郭奇勛,李 寧

(廈門(mén)大學(xué) 能源學(xué)院,核能研究所,福建廈門(mén)361102)

·綜 述·

快堆燃料循環(huán)與金屬燃料

郭奇勛*,李 寧

(廈門(mén)大學(xué) 能源學(xué)院,核能研究所,福建廈門(mén)361102)

快堆作為第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)中最重要的反應(yīng)堆型,有望顯著提高鈾資源利用率和減少核廢物量,快堆及與其密切相關(guān)的核燃料循環(huán)和金屬燃料技術(shù)越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注．本文綜述了快堆(特別是行波堆)、核燃料循環(huán)及金屬燃料技術(shù)的研究進(jìn)展,重點(diǎn)介紹了美國(guó)的行波堆和金屬燃料技術(shù),并闡述了行波堆初期采用“一次通過(guò)式”簡(jiǎn)化燃料循環(huán)對(duì)于快堆早日實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化的重要意義．

核能;核燃料循環(huán);快堆;行波堆;金屬燃料

在當(dāng)前的商業(yè)輕水堆中,天然鈾資源的利用率不到1%,儲(chǔ)存在大量貧鈾和乏燃料中的巨大能量可以成為一種寶貴的資源,但遺憾的是這種資源仍未開(kāi)發(fā)利用甚至經(jīng)常被當(dāng)作廢物對(duì)待．從核能開(kāi)發(fā)早期形成的核燃料循環(huán)仍是一個(gè)非常復(fù)雜、昂貴、耗時(shí)的過(guò)程,其發(fā)展戰(zhàn)略和路徑已經(jīng)過(guò)時(shí)．雖然出現(xiàn)了一些具體改進(jìn)方案,但還是難以大規(guī)模實(shí)現(xiàn)推廣．

行波堆通過(guò)優(yōu)化堆芯中子經(jīng)濟(jì)性并提高燃料燃耗,具備變成開(kāi)式燃料循環(huán)快堆的潛力,可以大幅簡(jiǎn)化傳統(tǒng)燃料循環(huán)．該技術(shù)使核能發(fā)電在后處理經(jīng)濟(jì)可行前即可提高資源利用率,這是一個(gè)極好的從創(chuàng)新概念變成顛覆性技術(shù)的范例．金屬燃料是發(fā)展行波堆和先進(jìn)快堆的核心技術(shù),快堆燃料將從現(xiàn)有的氧化物,逐步改為混合氧化物,最終過(guò)渡到增殖和安全性能最高的金屬燃料．目前的金屬燃料離行波堆實(shí)現(xiàn)足夠潛能的要求還有一定差距．

在本文中,我們綜述了國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家對(duì)快堆(特別是行波堆)核燃料循環(huán)與金屬燃料的相關(guān)研究和評(píng)論,重點(diǎn)介紹了核能與核燃料循環(huán)中的一些創(chuàng)新概念,并加入了作者的解讀和展望,旨在與讀者分享和切磋．

1 快堆與行波堆

1.1 快 堆

快中子反應(yīng)堆(簡(jiǎn)稱(chēng)快堆)是以(高能)快中子引起核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的反應(yīng)堆．快堆是第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)中最重要的反應(yīng)堆型．快堆運(yùn)行時(shí),一方面消耗易裂變?nèi)剂先玮?35(U-235),另一方面又產(chǎn)生新的易裂變?nèi)剂先珙?39(Pu-239)．當(dāng)產(chǎn)生的易裂變?nèi)剂隙嘤谙牡囊琢炎內(nèi)剂蠒r(shí),易裂變?nèi)剂暇偷玫搅嗽鲋?這類(lèi)快堆稱(chēng)為快中子增殖反應(yīng)堆,其轉(zhuǎn)換比大于1[1-2]．

快堆與輕水堆(熱堆)的一個(gè)主要區(qū)別是:輕水堆消耗的核燃料主要是U-235,而快堆消耗的核燃料主要是從U-238轉(zhuǎn)變而來(lái)的Pu-239．天然鈾中,易裂變的U-235只占約0.7%,豐度非常低,而不易裂變的U-238占到99.2%以上．目前,輕水堆對(duì)鈾資源的利用率只有約1%或更低,而快堆可以將利用率提高30～60倍[1-3]．

發(fā)展快堆主要有兩方面的重要意義:一是提高鈾資源的利用率,保證鈾資源的長(zhǎng)期穩(wěn)定供應(yīng),二是可以焚燒和嬗變輕水堆乏燃料中的長(zhǎng)壽命高放射性廢物,減少核廢物量[1]．全世界快堆已有350多堆年運(yùn)行史,快堆燃耗達(dá)到130 GW·d/t,熱電轉(zhuǎn)化效率達(dá)43%～45%．世界上許多國(guó)家已有快堆發(fā)展戰(zhàn)略,快堆相關(guān)研發(fā)已經(jīng)很深入[4]．

1.2 行波堆

行波堆(如圖1)不同于傳統(tǒng)快堆．行波堆通過(guò)對(duì)異質(zhì)堆芯燃料的巧妙分布和運(yùn)行控制,核燃料從一端低濃縮鈾啟動(dòng)源點(diǎn)燃,多余的裂變中子將旁邊不易裂變的U-238轉(zhuǎn)換成易裂變的Pu-239,當(dāng)達(dá)到一定濃度時(shí)形成自持裂變反應(yīng),同時(shí)開(kāi)始焚燒已在原位生成的燃料,形成行波．行波以增殖波前行、焚燒波后續(xù)的方式在燃料中以每年幾厘米的速度自持傳播,一次裝料可以連續(xù)運(yùn)行數(shù)十年．形象地說(shuō),行波堆像蠟燭,用火柴點(diǎn)燃后漸漸燒盡,并可以自身點(diǎn)燃其他蠟燭．行波堆技術(shù)可將鈾資源利用率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，廢物量減少一個(gè)數(shù)量級(jí),并使核燃料循環(huán)大大簡(jiǎn)化．行波堆是可以首先在開(kāi)路燃料循環(huán)中用低濃鈾啟動(dòng)的快堆[4]．

(a) 行波堆模型圖;(b)行波堆運(yùn)行40年后堆芯增殖焚燒區(qū);(c)行波堆運(yùn)行40年后堆芯不同軸向位置的增殖焚燒速度．

行波堆應(yīng)用無(wú)需大規(guī)模燃料后處理和長(zhǎng)期儲(chǔ)備钚,只需初期使用低濃縮鈾點(diǎn)燃即可無(wú)限期使用天然鈾、貧鈾或輕水堆乏燃料,變廢為寶,實(shí)現(xiàn)“核燃料一次性實(shí)時(shí)原位增殖焚燒”,簡(jiǎn)化復(fù)雜昂貴的核燃料循環(huán),并且降低核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)．行波堆可以大規(guī)模在全球推廣應(yīng)用,充分實(shí)現(xiàn)核能成為化石燃料后時(shí)代清潔無(wú)碳排主流一次能源的巨大潛力．行波堆的開(kāi)發(fā)成功將對(duì)世界范圍內(nèi)的核能發(fā)展,甚至全球能源政策和氣候變化應(yīng)對(duì)策略,產(chǎn)生劃時(shí)代的推動(dòng)和促進(jìn)作用,意義深遠(yuǎn)．

2 核燃料循環(huán)

2.1 核燃料循環(huán)概念

核燃料循環(huán)是人類(lèi)應(yīng)用核裂變能的基礎(chǔ)．核燃料循環(huán)指從鈾礦開(kāi)采(對(duì)于鈾/钚燃料循環(huán))到核廢物最終處置的一系列工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程．回收的核燃料可以在熱堆中循環(huán),也可以在快堆中循環(huán),統(tǒng)稱(chēng)“閉式”核燃料循環(huán)．如果乏燃料不進(jìn)行后處理而直接處置,則稱(chēng)為“一次通過(guò)式”核燃料循環(huán)．基于“一次通過(guò)式”和“閉式”核燃料循環(huán)的概念,目前主要有3種核燃料循環(huán)方案:1) 輕水堆“一次通過(guò)式”核燃料循環(huán);2) 輕水堆“部分閉式”核燃料循環(huán);3) 快堆輕水堆聯(lián)合“閉式”核燃料循環(huán)[5]．

在目前廣泛應(yīng)用的熱堆核電廠(chǎng)的核燃料循環(huán)模式下,采用“一次通過(guò)式”核燃料循環(huán),天然鈾資源的利用率約為0.6%;如果采用一次“閉式”核燃料循環(huán),天然鈾資源的利用率可以達(dá)到約1%．在快中子增殖堆核電廠(chǎng)的“閉式”核燃料循環(huán)模式下,一般認(rèn)為可使鈾資源的利用率提高50～60倍,國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)給出的數(shù)據(jù)為30倍左右．從可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā),為了充分利用鈾資源和減少核廢物體積及其放射性,從“閉式”核燃料循環(huán)起步可能是必由之路[5],除非開(kāi)發(fā)出具有創(chuàng)新性的先進(jìn)核能系統(tǒng),比如行波堆．

2.2 核燃料循環(huán)方案[6-7]

2.2.1 輕水堆“一次通過(guò)式“燃料循環(huán)

輕水堆“一次通過(guò)式”核燃料循環(huán),是目前最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的核燃料循環(huán)．該循環(huán)分為6個(gè)主要步驟:鈾礦開(kāi)采、鈾轉(zhuǎn)化與濃縮、燃料制造、輕水堆、乏燃料儲(chǔ)存、廢物處置(圖2第1行)．

輕水堆“一次通過(guò)式”燃料循環(huán)(第1行);輕水堆部分“閉式”燃料循環(huán)(第1、2行);快堆輕水堆聯(lián)合“閉式”燃料循環(huán)(第1～3行).

2.2.2 輕水堆部分“閉式”燃料循環(huán)

輕水堆乏燃料經(jīng)過(guò)后處理,提取出鈾和钚,并將回收的鈾和钚制造成新燃料,最后將合成的燃料送進(jìn)輕水堆中焚燒．在進(jìn)行處理之前,需要將高放廢物(HLW)儲(chǔ)存幾十年以降低其放射性和放射性衰變熱．輕水堆乏燃料的回收利用會(huì)改變钚的同位素,這樣的乏燃料只能回收一兩次．許多國(guó)家都在回收輕水堆乏燃料．上述過(guò)程稱(chēng)為輕水堆部分“閉式”核燃料循環(huán)(圖2第1、2行)．

2.2.3 快堆輕水堆聯(lián)合“閉式”燃料循環(huán)

快堆能夠通過(guò)中子吸收將可裂變材料U-238轉(zhuǎn)化為易裂變材料Pu-239．這樣,輕水堆鈾濃縮設(shè)施中產(chǎn)生的貧鈾、輕水堆乏燃料的鈾和钚都有可能得到充分利用．多次循環(huán)的快堆對(duì)鈾資源的利用率可以達(dá)到輕水堆的60倍．然而,快堆的啟動(dòng)需要大量的易裂變?nèi)剂希畟鹘y(tǒng)的方法是對(duì)輕水堆乏燃料進(jìn)行后處理,再利用回收的钚來(lái)制造快堆燃料．輕水堆運(yùn)行30年后,其乏燃料中回收的钚足夠啟動(dòng)一個(gè)高轉(zhuǎn)換比的快堆．快堆在啟動(dòng)和運(yùn)行后,其乏燃料經(jīng)過(guò)后處理繼續(xù)回收鈾和钚;并用回收的鈾和钚以及選配的貧鈾來(lái)制造新的快堆燃料組件,直至形成無(wú)法再循環(huán)利用的廢物．

對(duì)快堆輕水堆聯(lián)合“閉式”燃料循環(huán)(圖2第1～3行)的分析可包括3類(lèi)不同作用的快堆：1) 用作消耗錒系元素,如轉(zhuǎn)換比為0.75；2) 用作自持式核燃料循環(huán),如轉(zhuǎn)換比為1.0；3) 作為快堆增殖裂變?nèi)剂?如轉(zhuǎn)換比為1.23,并且用過(guò)量的超鈾元素來(lái)啟動(dòng)更多的快堆．

2.2.4 行波堆“一次通過(guò)式”燃料循環(huán)(可持續(xù)快堆)

從傳統(tǒng)上來(lái)說(shuō),可持續(xù)核能的要求是具備一個(gè)燃料后處理和再循環(huán)的“閉式”燃料循環(huán)．然而,幾十年來(lái)有很多人提議,采用“一次通過(guò)式”燃料循環(huán)發(fā)展可持續(xù)快堆,如行波堆,該設(shè)計(jì)是先用低濃縮鈾、钚或其他輔助中子源啟動(dòng)反應(yīng)堆堆芯,再更換為天然鈾或貧鈾繼續(xù)焚燒,鈾的利用率可以比現(xiàn)有的輕水堆高數(shù)倍到一個(gè)數(shù)量級(jí)．

這種堆型有幾個(gè)潛在優(yōu)點(diǎn):1) 核燃料循環(huán)簡(jiǎn)單且成本低;2) 行波堆啟動(dòng)后可以直接使用貧鈾或天然鈾為燃料,甚至可以用部分燃料再啟動(dòng)其他行波堆;3) 行波堆體系不需要長(zhǎng)期擁有濃縮鈾(啟動(dòng)反應(yīng)堆堆芯除外)及濃縮設(shè)施．

2.3 核燃料循環(huán)與快堆[4]

2.3.1 傳統(tǒng)快堆與“閉式”燃料循環(huán)的相互依賴(lài)

傳統(tǒng)快堆需要高濃鈾或钚啟動(dòng),并借助后處理設(shè)施循環(huán)利用,這需要原料儲(chǔ)備和后處理設(shè)施．商業(yè)化后處理設(shè)施的目的是為了提高規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益,降低單位成本,但往往需要上千億人民幣的資金投入和十幾年的時(shí)間建設(shè)．在快堆商業(yè)化前,商業(yè)化后處理設(shè)施投資回報(bào)率極低,長(zhǎng)期建運(yùn)所需的大量資金難以獲得．法國(guó)、英國(guó)、日本、俄羅斯、印度、美國(guó)都建有后處理設(shè)施．除法國(guó)外,其他國(guó)家的后處理廠(chǎng)都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正意義上的商業(yè)化運(yùn)行,而且基本是小型后處理廠(chǎng),一些已經(jīng)被關(guān)停,一些甚至根本沒(méi)有運(yùn)行過(guò);中國(guó)近期已自主建設(shè)成功小型中試后處理廠(chǎng),正在和法國(guó)談判引進(jìn)后處理大廠(chǎng)．與之對(duì)應(yīng)的是,超過(guò)350堆年的快堆技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化．傳統(tǒng)快堆與“閉式”燃料循環(huán)相互依賴(lài),限制了未來(lái)可持續(xù)核能系統(tǒng)的發(fā)展．在核燃料循環(huán)后端,高放廢物處置方案和技術(shù)一直懸而未決,嚴(yán)重制約了核電的安全高效發(fā)展,從而對(duì)快堆的需求預(yù)期減低,這是一個(gè)更大的兩難問(wèn)題．

2.3.2 行波堆去傳統(tǒng)快堆與“閉式”燃料循環(huán)的耦合

當(dāng)今世界的可持續(xù)發(fā)展需要大規(guī)模的清潔能源,核能是目前的最佳候選能源之一,但它面臨著因上述兩難問(wèn)題造成的僵局．打破僵局的關(guān)鍵是暫時(shí)弱化甚至切斷快堆與“閉式”燃料循環(huán)的耦合,先開(kāi)發(fā)基于“一次通過(guò)式”燃料循環(huán)的可持續(xù)快堆(如行波堆),發(fā)展部署快堆發(fā)電創(chuàng)造價(jià)值,解決清潔低碳能源供應(yīng)問(wèn)題,同時(shí)為后續(xù)完善燃料循環(huán)贏(yíng)得時(shí)間和積累技術(shù)及資金,這種發(fā)展模式具有重大的現(xiàn)實(shí)和戰(zhàn)略意義．

3 行波堆開(kāi)發(fā)

3.1 行波堆開(kāi)發(fā)示范挑戰(zhàn)和展望

美國(guó)泰拉能源公司(TerraPower)(簡(jiǎn)稱(chēng)泰拉能源)由微軟創(chuàng)始人比爾·蓋茨先生創(chuàng)投,集全美核能精英開(kāi)發(fā)行波堆技術(shù),計(jì)劃在中國(guó)建設(shè)示范堆．泰拉能源的行波堆設(shè)計(jì)采取池式鈉冷快堆的技術(shù)路線(xiàn)和許多實(shí)施方案．這和已經(jīng)臨界并網(wǎng)運(yùn)行的中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆采用的技術(shù)路線(xiàn)相近,也是計(jì)劃中即將建設(shè)的商業(yè)化示范快堆的技術(shù)路線(xiàn)．行波堆技術(shù)發(fā)展實(shí)現(xiàn)的主要挑戰(zhàn)在燃料、材料、長(zhǎng)壽命堆芯的工程化設(shè)計(jì)及克服燃料變化對(duì)反應(yīng)堆穩(wěn)定性的影響等方面．

為最大程度利用快堆的增殖功能實(shí)現(xiàn)行波式裂變,泰拉能源的行波堆設(shè)計(jì)采用金屬燃料,不同于現(xiàn)有輕水堆和常規(guī)快堆使用的氧化物陶瓷燃料．金屬燃料是目前世界上多數(shù)快堆路線(xiàn)中計(jì)劃發(fā)展達(dá)到的高性能燃料,據(jù)此設(shè)計(jì)的快堆具有較好的安全性．為能夠在行波堆內(nèi)對(duì)貧鈾和天然鈾等完成足夠的增殖,其燃料燃燒需要達(dá)到的燃耗深度高于常規(guī)快堆設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)．

與高燃耗燃料需求的挑戰(zhàn)相對(duì)應(yīng),燃料包殼和堆芯構(gòu)件需要在高通量的中子輻照下長(zhǎng)期保持熱物理力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)尺寸的穩(wěn)定性．如果采用不換料設(shè)計(jì),包殼的輻照劑量需要達(dá)到常規(guī)快堆設(shè)計(jì)指標(biāo)的數(shù)倍．開(kāi)發(fā)測(cè)試高抗輻照材料是非常關(guān)鍵的技術(shù)開(kāi)發(fā)任務(wù)．

隨著行波堆增殖焚燒性能的提高和長(zhǎng)壽命的運(yùn)行,燃料組分和性能的不斷變化為反應(yīng)性的穩(wěn)定和控制帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)．行波堆設(shè)計(jì)的初裝燃料為低濃鈾和貧鈾,在增殖焚燒過(guò)程中產(chǎn)生钚和其他可裂變?cè)丶傲炎儺a(chǎn)物,并且不斷改變?cè)诙研局械姆植?會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)性的變化．這個(gè)問(wèn)題有待充分的設(shè)計(jì)改進(jìn)和優(yōu)化來(lái)解決,并需要通過(guò)嚴(yán)格的安全分析和認(rèn)證．

在行波堆的設(shè)計(jì)過(guò)程中,泰拉能源發(fā)現(xiàn)為了能降低燃料包殼的輻照劑量,在無(wú)需換料條件下盡快實(shí)現(xiàn)增殖-焚燒的行波,必須設(shè)法控制燃耗的峰值和平均值．因此在示范堆和第一代商業(yè)堆的設(shè)計(jì)中,采用了較低的燃耗．這個(gè)設(shè)計(jì)燃耗深度遠(yuǎn)低于由行波堆中子物理特性決定的限度,但已經(jīng)遠(yuǎn)超輕水堆和常規(guī)快堆、增殖堆的燃耗設(shè)計(jì)限度,達(dá)到較高的資源利用率．由于行波堆良好的中子經(jīng)濟(jì)性,第一代行波堆的乏燃料只需置換包殼后即可直接再度使用,加深燃耗,進(jìn)一步提高資源利用率．置換包殼,包括可能需要的燃料鑄錠．這是個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn),但基本上是物理機(jī)械過(guò)程,無(wú)需化學(xué)分離萃取,相對(duì)簡(jiǎn)單易行,且有較高的防核擴(kuò)散性．通過(guò)這種途徑,行波堆增殖產(chǎn)生的燃料還可以被取出用來(lái)啟動(dòng)新一代行波堆,無(wú)需再用濃縮鈾啟動(dòng)源．到燃料被消耗到超過(guò)可以簡(jiǎn)單處理的限度時(shí),如果認(rèn)為燃料利用率還需提高,或需要把乏燃料的放射性壽命大幅度降低,那么可以用后處理方法來(lái)提取裂變材料供繼續(xù)使用(如回到行波堆),或進(jìn)入焚燒堆或加速器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(ADS)進(jìn)行嬗變處理．這個(gè)期限已被推后很多年,并且需要處理的量也少于現(xiàn)有方法和體系．

泰拉能源已制定了行波堆示范電站建設(shè)的時(shí)間表,并計(jì)劃首先在中國(guó)示范．行波堆技術(shù)的合作開(kāi)發(fā)示范將帶來(lái)大量寶貴的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn),可以有效支持中國(guó)既有的快堆與燃料循環(huán)體系開(kāi)發(fā)和示范,并從中得到相應(yīng)的反饋和支持．這種多贏(yíng)的協(xié)同發(fā)展將揭開(kāi)核能技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)創(chuàng)新篇章,具有重大價(jià)值和深遠(yuǎn)意義,值得我們共同期待、關(guān)注、支持和投入．

3.2 行波堆國(guó)際合作開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略建議

我國(guó)“熱堆-快堆-聚變堆”三步走的核能發(fā)展戰(zhàn)略已邁出第二步．我國(guó)第一座鈉冷快中子反應(yīng)堆——中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR),于2014年12月18日在中國(guó)原子能科學(xué)研究院首次實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)功率穩(wěn)定運(yùn)行72 h,其主要工藝參數(shù)和安全性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求,標(biāo)志這一重大科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施設(shè)計(jì)性能得到驗(yàn)證．福建寧德和三明商業(yè)示范快堆已在籌備中．與美國(guó)、法國(guó)、日本、俄羅斯、印度相比,我國(guó)的快堆技術(shù)、開(kāi)發(fā)能力和設(shè)施落后不少年．我國(guó)與美國(guó)合作開(kāi)發(fā)突破性的行波堆技術(shù),對(duì)我國(guó)核能發(fā)展意義重大．

泰拉能源作為商業(yè)化運(yùn)作的創(chuàng)新技術(shù)開(kāi)發(fā)公司,已與中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司、中國(guó)廣核集團(tuán)有限公司、國(guó)家電力投資集團(tuán)公司等開(kāi)展合作交流,并得到中美兩國(guó)政府的高度重視和支持．基于商業(yè)利益的考慮,泰拉能源對(duì)于行波堆的核心技術(shù)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)會(huì)重點(diǎn)保護(hù)和開(kāi)發(fā),但是其金屬燃料的技術(shù)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)是美國(guó)及其他國(guó)家?guī)资昕於寻l(fā)展的成果,需要得到我國(guó)技術(shù)和安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)的認(rèn)可和驗(yàn)證．對(duì)于提高燃耗和輻照劑量的研發(fā),也需要學(xué)術(shù)、技術(shù)和法律等的支持,尤其是在機(jī)理和安全認(rèn)證方面．

我方由高校、研究設(shè)計(jì)單位及核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)的技術(shù)服務(wù)部門(mén)組成,和泰拉能源形成國(guó)際化的產(chǎn)學(xué)研合作體．我國(guó)快堆與核燃料循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃中包括在中長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)金屬燃料技術(shù),提升核能的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性．因此合作各方的需求和發(fā)展基礎(chǔ)與定位高度互補(bǔ),可以形成多贏(yíng)的合作體．

行波堆國(guó)際合作開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略建議如下:1) 簽署中美政府間技術(shù)進(jìn)出口許可與合作開(kāi)發(fā)協(xié)議(已簽署);2) 組織相關(guān)企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性評(píng)估(開(kāi)展中);3) 設(shè)立行波堆開(kāi)發(fā)示范專(zhuān)項(xiàng),支持示范堆設(shè)計(jì)建運(yùn);4) 啟動(dòng)安全審查、許可和監(jiān)管行波堆技術(shù)與示范堆;5) 考慮組建中方合股公司,再與泰拉能源組建合資公司．泰拉能源注入行波堆技術(shù),繼續(xù)開(kāi)展堆芯、核島與燃料研發(fā)和設(shè)計(jì),管理國(guó)際驗(yàn)證測(cè)試合同；我方合股公司承接開(kāi)發(fā)示范專(zhuān)項(xiàng),出資開(kāi)展初步設(shè)計(jì)和最終設(shè)計(jì),獲得許可,建設(shè)運(yùn)行示范堆(或原型堆),推動(dòng)行波堆商業(yè)化．

4 行波堆金屬燃料研發(fā)

4.1 金屬燃料的戰(zhàn)略重要性

金屬燃料是發(fā)展安全高效的行波堆和先進(jìn)快堆的核心技術(shù)．國(guó)家和企業(yè)對(duì)核燃料的供給安全、資源利用及核燃料循環(huán)高度重視,在國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展綱要、核電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃及“十二五”科技發(fā)展規(guī)劃中均將快堆開(kāi)發(fā)作為核電發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)．快堆燃料將從現(xiàn)有的氧化物,逐步改為混合氧化物,最終過(guò)渡到增殖和安全性能最高的金屬燃料．

泰拉能源在行波堆技術(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中,對(duì)金屬、氧化物、氮化物、碳化物等多種燃料,以及液態(tài)金屬鈉、重金屬鉛或鉛鉍合金、水、氣體等核冷卻液體系進(jìn)行系統(tǒng)分析比較．由于行波堆以實(shí)時(shí)原位增殖、焚燒原理工作,要求優(yōu)良的中子經(jīng)濟(jì)性和可以支持增殖與焚燒的快中子能譜．為了充分利用現(xiàn)有最為成熟的快堆技術(shù),早日完成行波堆的開(kāi)發(fā)示范,泰拉能源選擇了金屬燃料、池式鈉冷的體系和設(shè)計(jì)．

4.2 金屬燃料國(guó)內(nèi)外研究概況

金屬燃料是高增殖比快堆設(shè)計(jì)的燃料首選．早期金屬燃料的輻照腫脹十分嚴(yán)重,使用改進(jìn)后的設(shè)計(jì)參數(shù)和包殼材料后,燃料燃耗大幅提高．U-Pu-Zr合金的固相線(xiàn)溫度和與包殼材料之間的共晶溫度得到大幅提高,為金屬燃料的高燃耗應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[8-9]．

美國(guó)從20世紀(jì)60年代以二號(hào)實(shí)驗(yàn)增殖堆(experimental breeder reactor II,EBR-II)和1980—1990年間以快中子束流測(cè)試設(shè)施(fast flux test facility,FFTF),開(kāi)發(fā)測(cè)試了U-5Fs(5代表5%,表示質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同；Fs表示裂變產(chǎn)生的混合物)、U-10Zr及U-Pu-Zr合金燃料,實(shí)驗(yàn)測(cè)試的燃料元件數(shù)達(dá)十幾萬(wàn)個(gè)．日本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)U-Zr合金燃料的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)及U-Pu-Zr的小規(guī)模試制；印度已經(jīng)研制出U-2Zr合金燃料棒,用于制造U-Pu-Zr金屬燃料的裝置正在安裝調(diào)試之中[9]．

中國(guó)在金屬燃料領(lǐng)域處于起步階段．中國(guó)原子能科學(xué)研究院與中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院曾在20世紀(jì)90年代研制了U-10Zr合金樣品,并研究了熱處理工藝和相變．針對(duì)鈾資源貧乏的制約,中國(guó)的核能戰(zhàn)略以快堆為替代現(xiàn)有輕水堆的主流技術(shù),并且在制定發(fā)展金屬燃料的規(guī)劃(如圖3)[9]．

圖3 我國(guó)金屬燃料初步發(fā)展路線(xiàn)圖

4.3 泰拉能源的金屬燃料研發(fā)測(cè)試[10]

行波堆將建立在已有快堆經(jīng)驗(yàn)之上．全世界快堆運(yùn)行超過(guò)350堆年,美國(guó)能源部的EBR-II、FFTF反應(yīng)堆輻照的金屬燃料元件超過(guò)130 000根．FFTF中輻照的金屬燃料組件和單獨(dú)的燃料元件均沒(méi)有發(fā)生破損．行波堆金屬燃料組件將在FFTF的基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)．

行波堆面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)為燃料和材料．對(duì)于行波堆,燃料的燃耗峰值至少為30%,對(duì)應(yīng)的中子劑量峰值大約為500 dpa(displacement per atom,原子平均離位次數(shù))．EBR-II中燃耗的已有數(shù)據(jù)極限為20%,FFTF中中子劑量的已有數(shù)據(jù)極限為200 dpa,離行波堆的要求還有一段距離．

對(duì)于第一個(gè)行波堆,泰拉能源選擇HT9鋼作為金屬燃料包殼材料,主要原因是HT9鋼具有優(yōu)良的抗輻照腫脹性能和高溫蠕變強(qiáng)度．泰拉能源的HT9鋼樣品由日本神戶(hù)鋼鐵公司制造,他們通過(guò)離子輻照實(shí)驗(yàn)初步確定抗腫脹性能,通過(guò)拉升實(shí)驗(yàn)估計(jì)高溫蠕變性能,通過(guò)電子顯微鏡分析鋼中碳化物的微觀(guān)結(jié)構(gòu)．綜合各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果后確定HT9的熱處理工藝條件和中子-重離子輻照的相關(guān)性．泰拉能源和神戶(hù)鋼鐵不斷優(yōu)化熱處理工藝以提高HT9鋼的抗輻照損傷能力．另外,焊接專(zhuān)家正在評(píng)估HT9鋼焊接的新技術(shù),焊接計(jì)劃正在發(fā)展焊接規(guī)程和資格計(jì)劃．

泰拉能源在材料開(kāi)發(fā)過(guò)程中,積極使用離子輻照模擬中子輻照(在美國(guó)密西根大學(xué)等單位包下大量離子輻照機(jī)時(shí)),進(jìn)行候選材料的快速篩選,極大加速了高性能材料的開(kāi)發(fā)進(jìn)程,并節(jié)約了大量成本．美國(guó)密西根大學(xué)Gary WAS教授研究組通過(guò)離子輻照實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)HT9鋼具有很強(qiáng)的抗輻照性能,在高dpa劑量下沒(méi)有觀(guān)察到明顯腫脹,相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果正在進(jìn)一步驗(yàn)證和確認(rèn)中．另外,泰拉能源選擇了邊建設(shè)運(yùn)行行波堆示范、邊開(kāi)展行波堆堆內(nèi)輻照實(shí)驗(yàn)的策略,在實(shí)踐中不斷驗(yàn)證和提高燃料與材料的性能,最后由量變產(chǎn)生質(zhì)變,從高性能快堆演進(jìn)為自持式行波堆,最大限度發(fā)揮行波堆的作用．

4.4 金屬燃料研發(fā)設(shè)施

金屬燃料和包殼材料在反應(yīng)堆中進(jìn)行中子輻照實(shí)驗(yàn)需要很多年,實(shí)驗(yàn)復(fù)雜、周期長(zhǎng)、投入大，急需建設(shè)先進(jìn)的離子模擬中子輻照設(shè)施,以加快先進(jìn)金屬燃料和包殼材料的開(kāi)發(fā)步伐和降低成本．我們?cè)趶B門(mén)大學(xué)計(jì)劃建設(shè)一座世界一流的核應(yīng)用材料工程實(shí)驗(yàn)室(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“實(shí)驗(yàn)室”)．該實(shí)驗(yàn)室的主要設(shè)施包括:1臺(tái)400 kV離子注入機(jī)，2臺(tái)數(shù)十千伏氫、氦離子槍?zhuān)?臺(tái)3 MV串列加速器和1臺(tái)高分辨透射電子顯微鏡(TEM)相連接的多離子束實(shí)時(shí)原位材料輻照損傷研究設(shè)施(如圖4所示)．

圖4 加速器與透射電鏡聯(lián)機(jī)設(shè)施

4.5 金屬燃料研發(fā)挑戰(zhàn)和突破創(chuàng)新

行波堆技術(shù)整體開(kāi)發(fā)示范需要取得的技術(shù)突破主要集中在:1) 要形成以貧鈾為燃料的無(wú)限自持增殖-焚燒裂變波,最高燃耗需要略超過(guò)30%(燃耗對(duì)應(yīng)的百分?jǐn)?shù)是原子分?jǐn)?shù),下同)．在美國(guó)的EBR-II中,用HT-9鐵素體/馬氏體合金鋼作包殼的燃耗在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中達(dá)到20%,但因項(xiàng)目終止沒(méi)有進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)測(cè)試;2) 為達(dá)到30%的燃耗,包殼遇到的輻照劑量高達(dá)500～600 dpa．在美國(guó)的FFTF中,HT-9鋼的輻照劑量最高超過(guò)200 dpa．

燃耗和包殼抗輻照劑量設(shè)計(jì)上限的提高可以提升快堆性能和經(jīng)濟(jì)性;當(dāng)上限突破一定數(shù)值時(shí),量變形成質(zhì)變,基于快堆技術(shù)的行波堆得以實(shí)現(xiàn)．

基于我國(guó)的金屬燃料技術(shù)現(xiàn)狀,以及安全認(rèn)證的需求,通過(guò)國(guó)際合作將提高我國(guó)的技術(shù)和安全分析、認(rèn)證水平,開(kāi)始認(rèn)知、掌握核心技術(shù),逐步建立安全認(rèn)證的基礎(chǔ)、標(biāo)準(zhǔn)與程序．主要突破為引進(jìn)、消化、吸收核能先進(jìn)國(guó)家已有的技術(shù),并在此基礎(chǔ)上從現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)極限向設(shè)計(jì)需求發(fā)展提出材料設(shè)計(jì)與制備、安全認(rèn)證的解決方案．利用先進(jìn)信息搜索技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘方法,形成技術(shù)開(kāi)發(fā)和安全認(rèn)證所需的數(shù)據(jù)庫(kù);采用材料科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域(如納米結(jié)構(gòu)、制備技術(shù)等)的最新發(fā)展成果和手段,探索解決材料輻照腫脹(限制燃料元件壽命)、低熔點(diǎn)合金相形成(造成燃料包殼破損)、成分結(jié)構(gòu)重組(改變?nèi)剂夏[脹和裂變氣體排放)等問(wèn)題,提出規(guī)模化連續(xù)制造工藝方案;參考學(xué)習(xí)他國(guó)核燃料安全認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)和程序,建立形成我國(guó)獨(dú)立認(rèn)證能力與體系的規(guī)劃．

從長(zhǎng)遠(yuǎn)技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)來(lái)看,如果以國(guó)際合作項(xiàng)目啟動(dòng)的開(kāi)發(fā)工作引進(jìn)、消化、吸收了國(guó)際先進(jìn)金屬燃料技術(shù),那么我國(guó)的快堆技術(shù)發(fā)展進(jìn)程可以加速至少十幾年,避免重復(fù)很多彎路和不必要的投資建設(shè);如果提升了快堆設(shè)計(jì)使用的燃耗和輻照劑量上限,則可提高快堆性能和經(jīng)濟(jì)性,促進(jìn)快堆商業(yè)化的提前實(shí)現(xiàn);如果解決了達(dá)到高燃耗和高輻照劑量所需的技術(shù)難題,能夠順利實(shí)現(xiàn)行波堆,那將會(huì)對(duì)我國(guó)乃至世界的清潔、安全、低碳能源發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用．

5 美國(guó)快堆金屬燃料相關(guān)技術(shù)[11]

金屬燃料的主要優(yōu)點(diǎn)是熱導(dǎo)率高、裂變?cè)用芏却蟆⒓庸と菀椎?在核反應(yīng)堆發(fā)展初期被大量選用,比如U-5Fs、U-Zr、U-Pu-Zr、U-TRU(超軸元素)-Zr等,后因輻照生長(zhǎng)、輻照腫脹等缺點(diǎn)逐漸被氧化物燃料取代．美國(guó)在數(shù)十年金屬燃料技術(shù)研發(fā)過(guò)程中,克服了很多早期金屬燃料的缺陷．21世紀(jì)初美國(guó)提出的四代鈉冷快堆、行波堆和加速器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),日本提出的4S鈉冷小堆,及歐洲的一些國(guó)家、韓國(guó)等在概念設(shè)計(jì)中均使用U-Zr和U-Pu-Zr或U-TRU-Zr金屬燃料．

美國(guó)從20世紀(jì)60年代以EBR-II實(shí)驗(yàn)快堆和1980—1990年間以FFTF快中子通量實(shí)驗(yàn)裝置,開(kāi)發(fā)測(cè)試了U-5Fs、U-10Zr及U-Pu-Zr合金燃料[12-13]．金屬燃料的合金化元素通常采用Zr,作為最受青睞的合金元素,Zr能提高合金的固相線(xiàn)溫度,增強(qiáng)合金在輻照條件下的尺寸穩(wěn)定性,減少燃料包殼化學(xué)相互作用(FCCI)[14-15]．以D9奧氏體不銹鋼為包殼的U-19Pu-10Zr合金達(dá)到18.4%燃耗,用HT9馬氏體合金作包殼的燃耗達(dá)到20%,實(shí)驗(yàn)測(cè)試的燃料元件數(shù)達(dá)十幾萬(wàn)個(gè),其技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)代表了世界領(lǐng)先水平．

金屬燃料具有易制造、導(dǎo)熱性高、裂變和增殖能力高以及多普勒反應(yīng)性反饋小的優(yōu)點(diǎn),因此在快堆中通常采用金屬燃料[16]．此外,金屬燃料方便通過(guò)金屬精煉進(jìn)行燃料循環(huán),或溶解在熔鹽電解質(zhì)里面進(jìn)行電解精煉．電解精煉可以分離裂變產(chǎn)物,組合回收鈾、钚和次錒系元素,可以支持防止核擴(kuò)散的、經(jīng)濟(jì)的再處理方案[17-18]．

精密鑄造是生產(chǎn)EBR-Ⅱ驅(qū)動(dòng)燃料芯塊的唯一技術(shù),在建造和操作設(shè)備都較為簡(jiǎn)便以及相對(duì)短的生產(chǎn)周期條件下,該技術(shù)能夠確保生產(chǎn)出不含織構(gòu)的產(chǎn)品,因此可以被用作冷原型線(xiàn)和再處理熱生產(chǎn)線(xiàn)．在EBR-Ⅱ和FFTF金屬燃料輻照測(cè)試中使用的燃料塊即采用精密鑄造法進(jìn)行生產(chǎn),生產(chǎn)流程如圖5所示[11]．

圖5 快堆金屬燃料制備流程圖

金屬原料(鈾、钚和合金元素)可以從金屬乏燃料中獲得．金屬原料制備技術(shù)有兩種:1) 熔融精煉技術(shù);2) 熔鹽電化學(xué)再處理技術(shù)．熔融精煉為早期的再處理技術(shù),它是通過(guò)在ZrO2坩堝中熔化乏燃料來(lái)實(shí)現(xiàn)的．熔鹽電化學(xué)再處理技術(shù)是目前使用的熱冶煉技術(shù),用于從不溶解的包殼中溶解(熔鹽中)和分離乏燃料[18]．

注射鑄造最初的技術(shù)采用常規(guī)的熔煉澆鑄技術(shù),通過(guò)U-Fs的預(yù)合金化來(lái)生產(chǎn)注射鑄造的原料．隨后則取消了預(yù)合金化的過(guò)程,采用新鮮的濃縮鈾、切碎的再循環(huán)燃料芯塊和注射鑄造腳料來(lái)生產(chǎn)樣品．然后根據(jù)規(guī)定的長(zhǎng)度、直徑和質(zhì)量將燃料塊修剪至合適的尺寸．采用X射線(xiàn)攝像技術(shù)檢測(cè)燃料芯塊的內(nèi)部缺陷,如空位和裂紋．通過(guò)化學(xué)同位素分析技術(shù),對(duì)燃料芯塊的頂部、中心和底部進(jìn)行隨機(jī)采樣,以測(cè)定燃料芯塊的成分和均勻性[11]．

燃料芯塊完全通過(guò)安全檢驗(yàn)后可進(jìn)行燃料棒的制造．生產(chǎn)燃料套管,在管內(nèi)裝入燃料芯塊后注入Na以利于結(jié)合并最終焊合封裝．所生產(chǎn)的燃料棒需進(jìn)行尺寸檢測(cè)和He泄漏檢測(cè)．通過(guò)肉眼目測(cè)和射線(xiàn)成像技術(shù)檢查焊接處裂紋[11]．

6 美國(guó)先進(jìn)快堆金屬燃料評(píng)估結(jié)果[19]

未來(lái)快堆燃料系統(tǒng)不僅具備傳統(tǒng)快中子譜核燃料的所有功能,還可以焚燒再循環(huán)的錒系元素,為“閉式”核燃料循環(huán)提供機(jī)理上的支持．EBR-II與FFTF輻照測(cè)試有效驗(yàn)證了U-Zr合金作為FFTF的驅(qū)動(dòng)燃料的資格,證明了燃料棒的長(zhǎng)度對(duì)任何金屬燃料性能都沒(méi)有影響．金屬燃料為系統(tǒng)候選燃料,包括可裂變的U、U-Pu合金或少數(shù)錒系元素與U-Pu的合金．通常加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～30%的Zr以穩(wěn)定合金性能,提高合金熔點(diǎn)并減少FCCI,采用Na填充,包殼材料為奧氏體鋼或鐵素體-馬氏體鋼(FM)或鎳基合金．新一代反應(yīng)堆燃料設(shè)計(jì)把輕水堆乏燃料中的次錒系元素(MA)和TRU整合到燃料基體內(nèi),焚燒或銷(xiāo)毀了長(zhǎng)壽命的MA,實(shí)現(xiàn)了最小化長(zhǎng)壽命放射性廢物總量的目的．理想的生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)采用精確的注射澆鑄工藝,且可同時(shí)應(yīng)用于冷加工和熱處理．金屬燃料在穩(wěn)態(tài)輻照下具有的優(yōu)良輻照性能已經(jīng)得到證實(shí)．

在EBR-II和FFTF的驅(qū)動(dòng)燃料實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目里,燃耗深度達(dá)到10%的合金燃料在測(cè)試中證實(shí)了高燃耗特性．在EBR-II停堆后,X435的Mk-III燃耗深度達(dá)19.9%．當(dāng)時(shí)無(wú)任何跡象表明這些數(shù)據(jù)會(huì)就此終結(jié),只要繼續(xù)輻照,燃耗深度可以突破到更高．

含MA燃料也有可能具有杰出性能．目前已實(shí)施了3個(gè)穩(wěn)態(tài)超鈾金屬燃料試驗(yàn):EBR-II-X501,AFC1以及METAPHIX-1和-2．METAPHIX系列實(shí)驗(yàn)對(duì)象包括含超鈾元素和稀土元素的U-Pu-Zr金屬燃料基化合物[20],實(shí)驗(yàn)中無(wú)燃料失效現(xiàn)象出現(xiàn)．研究人員在瞬態(tài)反應(yīng)堆測(cè)試裝置(TREAT)中,針對(duì)15組分別采用316、D9和HT9不銹鋼做包殼的U-5Fs、U-Zr和U-Pu-Zr金屬燃料棒進(jìn)行了6個(gè)M系列的測(cè)試,結(jié)果顯示,現(xiàn)代設(shè)計(jì)的金屬燃料棒的失效閾值約為4倍額定功率[21]．

金屬燃料具有優(yōu)良的安全裕度、出眾的瞬態(tài)特性,對(duì)反應(yīng)堆的瞬態(tài)運(yùn)行和負(fù)荷能力不產(chǎn)生任何限制．金屬燃料還具有穩(wěn)定的包殼泄露后運(yùn)行性能特征．金屬燃料芯部的實(shí)際功率運(yùn)行裕度遠(yuǎn)大于其他燃料系統(tǒng),從正常運(yùn)行工況到假定的嚴(yán)重事故,金屬燃料在整個(gè)中子譜能量區(qū)域內(nèi)都具有相同乃至更優(yōu)良的安全特性．1986年6月在EBR-II中進(jìn)行的2次里程碑式的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了金屬燃料的非能動(dòng)安全潛能[22-23]．

往Pu中添加镅(Am)和Zr可以顯著提高合金的固相線(xiàn)溫度,只加入镎(Np)與Pu合金化則效果并不明顯．金屬燃料的平均熱傳導(dǎo)率很高,因此中心線(xiàn)溫度較低,在線(xiàn)熱功率為40 kW/m時(shí),其溫度約為790 ℃．只有在高燃耗下(譬如已裂變?cè)臃謹(jǐn)?shù)為15%～20%),由于固體裂變產(chǎn)物的積累燃料內(nèi)才會(huì)發(fā)生燃料與包殼間機(jī)械相互作用(FCMI)．即便如此,疏松多孔的燃料硬度也很低．FCMI對(duì)金屬燃料芯塊失效的影響至少比陶瓷燃料低一個(gè)數(shù)量級(jí),它并不是所預(yù)期的造成燃料失效的原因．

燃料截面密度低的金屬合金燃料腫脹率會(huì)達(dá)到約30%,此時(shí)產(chǎn)生的氣孔發(fā)生相互聯(lián)通．一旦相互聯(lián)通的氣孔網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展,裂變產(chǎn)生的氣體便會(huì)釋放,氣體驅(qū)動(dòng)的燃料腫脹顯著降低．之后的燃料腫脹則是由固體裂變產(chǎn)物的積累造成的[24]．含U、Pu、Am、Np、Zr的金屬燃料在EBR-II內(nèi)進(jìn)行了多年的輻照實(shí)驗(yàn)．這些合金與同時(shí)作為填充劑和冷卻劑的Na兼容性好,運(yùn)行期間未發(fā)生反應(yīng)．在相對(duì)可預(yù)測(cè)的速率下,可以觀(guān)察到Zr基金屬燃料和不銹鋼包殼之間的FCCI[24]．

金屬合金燃料的使用經(jīng)驗(yàn)為快中子反應(yīng)堆采用金屬合金燃料,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下達(dá)到燃耗10%的目標(biāo)提供了依據(jù)．目前已證實(shí),金屬合金燃料采用鐵素體馬氏體鋼包殼后運(yùn)行燃耗可達(dá)19%．在有限屏蔽的輻照實(shí)驗(yàn)條件下,含MA金屬燃料合金在測(cè)試中無(wú)明顯的性能問(wèn)題．燃料組分?jǐn)U散、燃料包殼化學(xué)相互作用、包殼應(yīng)變等都是含MA金屬燃料發(fā)展所需研究的關(guān)鍵性能問(wèn)題．另外,含Am的金屬合金燃料生產(chǎn)必須通過(guò)工程化驗(yàn)證．兼顧考慮金屬合金燃料所面臨的挑戰(zhàn)和歷史性能之后,采用金屬合金燃料供能的未來(lái)快中子譜反應(yīng)堆,發(fā)展前景很好．

7 結(jié)論和展望

快堆燃料循環(huán)可顯著提高鈾資源利用率和減少核廢物量．傳統(tǒng)快堆與“閉式”燃料循環(huán)相互依賴(lài),限制了可持續(xù)核能系統(tǒng)的早日啟動(dòng)．行波堆作為革新性的先進(jìn)快堆,具有削弱甚至消除傳統(tǒng)快堆與“閉式”燃料循環(huán)耦合的巨大潛力,其中行波堆“一次通過(guò)式”燃料循環(huán)可能在不需要后處理的情況下率先實(shí)現(xiàn)快堆商業(yè)化．

金屬燃料是發(fā)展行波堆和先進(jìn)快堆的核心技術(shù)．美國(guó)關(guān)于金屬快堆燃料研發(fā)、測(cè)試、制造技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)十分豐富,其中U-Pu-Zr合金的燃耗已不低于20%,日本已實(shí)現(xiàn)U-Zr合金燃料的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn),印度已研制出U-2Zr合金燃料棒,我國(guó)在金屬燃料領(lǐng)域研發(fā)處于起步階段．金屬燃料在穩(wěn)態(tài)輻照下具有的優(yōu)良輻照性能已經(jīng)得到證實(shí)．目前的金屬燃料和包殼技術(shù)雖不能完全滿(mǎn)足行波堆實(shí)現(xiàn)足夠潛能的要求,但可以在原有基礎(chǔ)上研發(fā)制造,并在未來(lái)的行波堆中邊運(yùn)行邊測(cè)試．以金屬燃料為基礎(chǔ)的行波堆一旦開(kāi)發(fā)成功,將是核能利用的重大突破性創(chuàng)新．

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Fast Reactor Fuel Cycles and Metal Fuels

GUO Qi-xun*,LI Ning

(Institute for Nuclear Energy,College of Energy,Xiamen University,Xiamen 361102,China)

As the most important type of nuclear reactors in Generation IV nuclear systems,fast reactors are expected to significantly improve the uranium resource utilization and reduce the amount of nuclear waste.Fast reactors,their associated nuclear fuel cycles,and metal fuel technologies have attracted increasing attention.This paper summarizes the research progress of fast reactors,nuclear fuel cycles,and metal fuel technologies,with focus on traveling wave reactors and metal fuel technologies,and expounds the significance of using the travelling wave reactor "once through" fuel cycle to realize the early large-scale commercialization of fast reactors and sustainable nuclear energy systems.

nuclear energy;nuclear fuel cycle;fast reactor;traveling wave reactor;metal fuel

2015-03-24 錄用日期：2015-06-10

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(2012121034)

郭奇勛，李寧.快堆燃料循環(huán)與金屬燃料[J].廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2015,54(5)：593-602.

：Guo Qixun,Li Ning．Fast reactor fuel cycles and metal fuels[J].Journal of Xiamen University:Natural Science，2015,54(5)：593-602．(in Chinese)

新能源材料專(zhuān)題

TL 211;TL 31

A

0438-0479(2015)05-0593-10

* 通信作者：qxguo@xmu.edu.cn