中國快堆及先進核燃料循環體系發展戰略思考

張東輝，喬鵬瑞，楊 勇，杜靜玲

(中國原子能科學研究院，北京 102413)

快堆是利用快中子實現鏈式裂變反應的反應堆，具備可大幅提高鈾資源利用率、進行長壽命廢物嬗變和固有安全性高等特點。核燃料循環是指從鈾礦開采到核廢物最終處置的一系列工業生產過程，分為一次通過循環和閉式循環[1]。對于一次通過循環，乏燃料從反應堆卸出后，經過中間儲存和包裝之后直接進行地質處置，該種燃料循環方式會造成嚴重的鈾資源浪費，并且乏燃料對環境的長期威脅極大；先進的閉式燃料循環能利用快堆增殖和嬗變的特點，充分利用鈾資源，并且實現廢物最少化，從而確保核能的可持續發展。

隨著我國經濟和社會的高速發展，能源需求也日益增長，核能作為綠色、經濟、安全的清潔能源，在我國能源供應中占有重要地位，并且其在能源供應中的占比也越來升高。本文從我國核能可持續發展的角度，對基于快堆的閉式燃料循環體系發展戰略進行思考和探討。

1 中國能源發展現狀及核能發展需求

2018年，中國一次能源共生產了37.7億t標煤，同比增長5%，是6年來增長最快的一年(圖1)。在生產的一次能源中，化石能源占比81.8%，同比降低了0.5%，其中原煤占比69.1%。非化石能源占比18.2%，中國目前已經成為世界上最大的水電、風電和太陽能發電裝機的國家[2]。

從能源消費來看，中國的能源消費6年來一直在持續增長，具體如圖2所示。2018年中國的能源消費達到了46.4億t標煤，同比增長3.3%。同時，能源消費的結構也有所改善，2018年的煤炭能源消費占比59%，同比下降了1.4%。包括天然氣、水電、風電和核電在內的清潔能源消費總計占比22.1%，較去年增長了1.3%。非化石能源占一次能源消費的14.3%。值得注意的是，可再生能源中，風電的裝機容量和發電量已超過核電，太陽能的發電效率也有了很大提升，風電和太陽能的價格下降很快，表現出了越來越高的競爭力。這是核能發展必須要考慮的一個因素。

圖1 一次能源生產(2013—2018)Fig.1 Primary energy production (2013—2018)

圖2 一次能源消費(2013—2018)Fig.2 Primary energy consumption (2013—2018)

在核能方面，2018年中國的核電保持了安全平穩運行，裝機容量為總裝機容量的2.35%，發電量占比4.22%。截至2018年底，我國共有在運核電機組44臺，裝機容量44.454 GW，發電2 944億度，增長了18.96%。2018年度核電運行未發生一級及一級以上事故，我國的核電運行指標在國際上名列前茅。

2018年我國核電機組平均運行小時數為7 499.22 h，平均機組利用率85.61%，兩年來連續增長。核電建設也取得了突破性進展，在3代核電方面，世界上AP1000和EPR的首臺機組投入運行，中國具有自主知識產權的華龍一號示范項目進展順利。根據預測，中國的核電占比將從現在的4.22%增長到2035年的10%。到2035年，核電機組總的裝機容量將達到150 GW[3]。核電將為我國清潔低碳能源的發展做出突出貢獻。

但當核能大規模發展時，將不可避免遇到鈾資源的問題，目前我國的鈾對外依存度已超過石油。根據紅皮書的數據，全球可經濟開采的鈾資源僅在700萬t左右[4]。按1座百萬千瓦壓水堆60年壽期需10 000 t天然鈾計算，目前全球總裝機容量約為390 GW，全部鈾資源僅可供約100年使用。考慮到中國等國家的新增核電容量，該時間還會更短。另外，如果采用一次通過模式，對乏燃料不加處置，大量乏燃料還會在幾十萬年的尺度上對環境形成威脅。因此，發展基于快堆的先進核燃料循環系統，將天然鈾中占99.3%的238U利用，并將乏燃料中的長壽命次錒系元素嬗變掉，將核能改造成可大規模、可持續、環境友好的能源，是我國核能發展的不二選擇。

2 世界快堆與核燃料循環體系發展概況

不斷增長的能源需求，要求世界各國更廣泛地利用可靠且環境友好的能源，21世紀中葉之前全球需要大量部署新的能源。為保障能源綠色、環保、可持續發展，核大國均在積極部署未來10年乃至30年內新的核能技術。其中，以快堆為首選堆型的第4代核電是核能發展的方向。

俄羅斯政府2000年發布《俄羅斯2050核電發展戰略》，明確未來核能方向是發展快堆及其閉式燃料循環。為此，俄羅斯國家原子能公司(ROSATOM)2011年制定了長期發展戰略，通過“突破”(PRORYV)項目計劃，發展快堆封閉燃料循環，實現核能可持續發展。俄政府計劃到2050年，大幅增加快堆數量，實現核電占比45%～50%，到21世紀末實現核電占比70%～80%。

美國先進反應堆技術開發愿景是在2050年之前，先進反應堆在美國以及全球的能源結構中發揮顯著作用，且其作用不斷增強。考慮到新核電技術的部署可能需要15～20年的時間，美國能源部(DOE)已經為先進反應堆開發和部署制定了專門的目標。其先進反應堆技術開發目標為在21世紀30年代初期，至少有兩座先進非輕水堆實現技術成熟，并完成安全性、經濟性驗證和許可評估。

歐盟委員會認為新型反應堆以及先進核燃料循環技術是清潔、安全、高效的能源系統的關鍵，需對其進行持續的研發投資。2007年，歐盟委員會提出了旨在保證歐盟能源技術領導地位，實現2020—2050年能源及氣候目標的戰略能源技術計劃(SET Plan)。該計劃于2014年發布的整體路線中提出了“支持核能系統的安全高效運行，開發新型反應堆、研究裂變材料及放射性廢料管理的可持續解決方案”。研發投資的重點領域為延長反應堆的運行壽命以及論證未來的閉式核燃料循環系統的安全性。重點行動包括：開發高優先級的4代快堆論證裝置，測試各種核燃料循環方案，包括裂變材料的回收及次錒系元素的轉化、論證核燃料制造及后處理、地質處置、乏燃料及高放廢物的臨時貯存、研發在4代反應堆工作條件下使用的核材料以及可提高核電廠安全及效益的新型核材料。

由國際原子能機構組織30個成員國參與的創新核反應堆和燃料循環國際項目(INPRO)已經定義了一套評估創新型核能系統可持續性的原則和要求，基于閉式核燃料循環和快堆的核能系統(CNFC-FR)是其評估的重點內容之一。

此外，日本、韓國、印度等也都制定了本國的快堆及核燃料循環發展規劃。

鈉冷快堆具有可增殖核燃料、嬗變長壽命放射性廢物、固有安全性高及經濟性前景好等特征，一直作為國際上先進核能系統的主要研究方向，是第4代先進反應堆中發展最快、最為成熟的反應堆堆型。世界上開展鈉冷快堆研發的國家主要有俄羅斯、法國、印度、中國、日本、美國、韓國、瑞士等。包括中國實驗快堆(CEFR)在內，目前世界上已建成23座鈉冷快堆，積累了約400 堆·年的運行經驗，具有較好的商用推廣基礎。俄羅斯、法國、日本、印度和中國開展了示范快堆甚至商用快堆的建設，以法國、日本、美國為代表的其他國家雖暫緩開展鈉冷快堆的工程建設，但也都在積極開展鈉冷快堆的研發。

3 我國核能發展與先進核燃料循環體系建設

我國核能發展的總體戰略是“熱堆-快堆-聚變堆”三步走。其中，熱堆以壓水堆為主，主要解決以東部地區為代表的能源短缺問題，主要利用235U；快堆以鈉冷快堆為主，可支撐核能大規模可持續發展，同時嬗變壓水堆乏燃料中的長壽命錒系元素，減少廢物量，主要利用238U，遠期可利用232Th；聚變堆原則上可利用海水中大量存在的氘，解決人類的終極能源問題，但由于氘-氘聚變的難度大，在前期將主要采用氘-氚聚變，而氚則主要來源于鋰，其總量受到鋰資源的限制。

為實現核能從235U到238U的跨越，需從快堆、燃料、后處理等方面綜合考慮，突破技術和商用型號開發，達到商用推廣的目的。

3.1 快堆

快堆或快中子裝置擔負兩個方面的使命：增殖和嬗變。其中，從增殖性能、成熟性、經濟性等多方面綜合考慮，鈉冷快堆是大型增殖快堆的最佳選擇。中型鈉冷快堆和鉛基冷卻快堆的加速器驅動系統(ADS)則比較適合于嬗變。多用途的小、微型快堆則有更大的堆型選擇范圍，包括氣冷堆、熔鹽快堆等。

綜合考慮技術、風險、經濟、時間等因素，我國快堆的發展采用“實驗快堆-示范快堆-商用快堆”三步走戰略。為提高技術的一致性，從實驗快堆開始即選擇基本相同的解決方案，如：冷卻劑采用熱工特性、中子特性和材料相容性等各方面綜合性能最好的液態金屬鈉；堆型方面，考慮到經濟性以及固有安全性，一回路采用了一體化池式結構；主熱傳輸系統采用鈉-鈉-水三回路，在初期階段為提高機組的可利用率，蒸汽發生器采用多模塊設計；安全性上采用負反饋設計、非能動余熱排出系統和低壓安全殼。表1列出了快堆發展各階段的技術延續性。

表1 快堆發展各階段的技術延續性Table 1 Technical continuity at all stages of fast reactor development

3.2 燃料

燃料是決定快堆安全性和經濟性的核心。由于快堆燃料的燃耗深、工作溫度高、快中子通量高，對材料和工藝的要求非常高。在初期階段，為解決有無問題，降低燃料制造難度，大多國家均采用氧化物燃料(UO2或MOX)，但因其能譜較軟，快堆的增殖比往往不高。在快堆發展的中后期，各國均在進一步研究高致密度燃料，主要包括金屬燃料或氮化物燃料。同時，鑒于服役環境的要求高，快堆元件包殼材料需采用低腫脹、耐高溫的材料，初期大多采用316Ti不銹鋼，后期主要向1515Ti、HT9以及ODS等材料過渡。

由于239Pu平均裂變中子數要顯著高于235U，因此含钚的燃料對快堆更加適合。在可能的情況下，鈾燃料要盡快過渡到钚燃料。

3.3 后處理

我國快堆核能系統發展總體目標設想為：1) 第1階段(2020年前)，以CEFR、后處理中試廠、MOX實驗線為平臺，實現中試規模循環研究；2) 第2階段(2025年前)，以CFR600、200 t/a后處理廠、20 t/a MOX廠為平臺，實現工程規模循環；3) 第3階段(2035年前)，以CFR1000、大型商用后處理廠、大型商用金屬燃料廠為平臺，實現商業規模循環；4) 第4階段(2040年前)，建成快堆乏燃料后處理廠，進入快堆全循環。

為配合快堆發展需要，后處理總體上分為3個階段：第1階段，水法處理壓水堆乏燃料組件，用以給快堆提供MOX燃料初裝料所需要的工業钚；第2階段，干法處理快堆乏MOX燃料，實現快堆增殖燃料的閉式循環；第3階段，高溫冶金干法處理乏金屬燃料，實現快速高增殖目標。

對于后處理技術，鑒于快堆乏燃料組件的高燃耗以及乏組件內易裂變材料含量高，干法后處理是必然選擇。特別是對于金屬燃料，由于燃料棒內含有金屬鈉，從根本上排除了采用水法處理的可能性。另外，由于在中后期要實現在快堆內對長壽命次錒系元素(MA)的嬗變，在后處理工藝中應考慮對MA的提取或共沉淀。研究的后處理流程可分為兩類：即全分離和部分分離。全分離技術的要點是改進Purex流程，除了分離鈾、钚外，同時分離镎、锝、碘，然后進一步分離高放廢液中剩余的鈾、钚、次錒系元素以及鍶、銫。分別得到上述元素的單個產品。部分分離是得到鈾和钚/超鈾的混合產品，由于得到的是錒系混合物，可用于均勻嬗變。部分分離由于不能得到“純钚”，可防擴散，因而近年來國際上較為熱門。

4 結語

快堆是我國核能發展“熱堆-快堆-聚變堆”三步走戰略的重要一步，是先進核能系統的發展方向。基于快堆的燃料循環系統是國際公認的先進燃料循環系統，但要實現可持續、經濟性好、安全性高以及防核擴散等方面的要求，涉及到的技術和工業體系非常復雜，很多技術路線尚在探索中。為規范發展，應在核工業和相關工業界充分討論的基礎上，形成統一意見，制定并發布快堆及先進核燃料循環體系的中長期發展規劃，確保發展的正確性和可持續性。