俄面向閉式燃料循環(huán)的新型反應(yīng)堆技術(shù)發(fā)展布局

俄羅斯副總理亞歷山大·諾瓦克2022年2月宣布，俄羅斯將在2030 年前開始建設(shè)VVER-S改進(jìn)型壓水堆。該反應(yīng)堆可以通過調(diào)節(jié)中子能譜，提升核燃料利用率。

俄羅斯近年來逐漸確立“二元核能體系”（即熱堆閉式燃料循環(huán)和快堆閉式燃料循環(huán)相結(jié)合）的發(fā)展藍(lán)圖并列入核工業(yè)國家計劃，目標(biāo)是通過更高增殖比的新型反應(yīng)堆和鈾钚混合燃料的應(yīng)用，提升鈾資源利用效率，解決當(dāng)前核電可持續(xù)性不足的問題。對此，俄羅斯基于已有技術(shù)，從VVER壓水堆、鈉冷快堆、鉛冷快堆、熔鹽堆四個方向原創(chuàng)性地提出新解決方案，根據(jù)現(xiàn)有基礎(chǔ)布局發(fā)展路線，為未來核能發(fā)展奠定技術(shù)儲備。

1 VVER水冷堆發(fā)展方向

VVER壓水堆是俄羅斯目前主流核電堆型，技術(shù)和經(jīng)濟性不斷提升優(yōu)化。最新型號VVER-TOI首批2 臺機組已于2018 年和2019 年開工建設(shè)。為提升現(xiàn)有大型壓水堆閉式燃料循環(huán)能力和鈾資源利用率，俄羅斯正在VVER機組推進(jìn)鈾钚再生混合物（REMIX）燃料應(yīng)用。REMIX 燃料钚含量最高只有1.5%，可直接在現(xiàn)有壓水堆機組使用，2021年已建成生產(chǎn)能力，并啟動先導(dǎo)燃料組件入堆試驗。

為更充分實現(xiàn)閉式燃料循環(huán)、提升鈾資源利用率，俄羅斯提出近期發(fā)展方向是可調(diào)中子能譜的VVER-S反應(yīng)堆，遠(yuǎn)期發(fā)展方向是具有超臨界參數(shù)的VVER-SKD。

VVER-S 是成熟VVER 的改進(jìn)，又稱“超級VVER”，其不再使用硼酸調(diào)節(jié)，而是通過改變堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)計，在堆芯內(nèi)引入置換器改變堆芯水鈾比，實現(xiàn)在換料周期內(nèi)調(diào)節(jié)中子能譜，提高增殖比，減少廢物量。與VVER-TOI 相比，VVER-S用于開式燃料循環(huán)，天然鈾消耗量可降低30%；用于閉式燃料循環(huán)，鈾钚混合氧化物（MOX）燃料使用量可從50%提高到100%。俄羅斯國家原子能集團(tuán)公司（簡稱“俄原集團(tuán)”）2021年宣布將在科拉核電廠建設(shè)2座60萬千瓦VVER-S反應(yīng)堆，計劃2030年前啟動建設(shè)。

VVER-SKD（或VVER-SCWR）反應(yīng)堆為超臨界水堆，反應(yīng)堆主要特征于2019—2020 年確定，主要特點是超臨界蒸汽參數(shù)和可調(diào)中子能譜，熱效率可達(dá)45%，將使用MOX 燃料和釷燃料，增殖比達(dá)到1 以上，建設(shè)費用低，安全性提高。當(dāng)前研發(fā)計劃是在2026年前形成主要設(shè)備和輔助設(shè)備的制造技術(shù)、核燃料制造技術(shù)的方案等。俄羅斯還打算建設(shè)小功率超臨界水堆作為多用途實驗堆，用于VVER-SKD 實驗燃料元件和結(jié)構(gòu)材料輻照試驗等，近年已提出3萬千瓦反應(yīng)堆設(shè)計。

2 鈉冷快堆發(fā)展方向

鈉冷快堆是俄羅斯技術(shù)進(jìn)展最好的液態(tài)金屬冷卻快堆，已經(jīng)過了實驗堆（BR-5、BOR-60）、原型堆（BN-350、BN-600）和商用示范堆（BN-800）多個階段，反應(yīng)堆技術(shù)成熟，現(xiàn)階段任務(wù)是示范閉式燃料循環(huán)。首座BN-800即別洛雅爾斯克4號機組將在2022 年夏季逐步過渡到全堆芯MOX燃料運行，以實現(xiàn)閉式燃料循環(huán)示范。

鈉冷快堆下一步發(fā)展方向是批量化建設(shè)有足夠經(jīng)濟競爭力的大型機組BN-1200M。俄羅斯在BN-800建設(shè)時期，確定了120萬千瓦堆型的設(shè)計目標(biāo)，2014年完成BN-1200基本設(shè)計。為達(dá)到更高運行效能和經(jīng)濟競爭力，俄羅斯2017年啟動BN-1200改進(jìn)工作，稱BN-1200M。與BN-800相比，BN-1200M運行壽期從45年延長到60年，燃耗、嚴(yán)重事故概率、單位功率的金屬用量等性能均大幅改善，可使用MOX 燃料或鈾钚混合氮化物燃料，目前還在繼續(xù)開展技術(shù)參數(shù)和經(jīng)濟性改進(jìn)、可行性評價，以及反應(yīng)堆設(shè)備試驗研究與驗證等，后續(xù)還將開展全尺寸堆芯臨界臺架實驗等。別洛雅爾斯克5 號機組將采用BN-1200M設(shè)計。這已被列入政府批準(zhǔn)的2035年前核電廠建設(shè)計劃。

3 鉛冷快堆發(fā)展方向

俄羅斯2010 年啟動“突破”項目，聚焦研發(fā)建設(shè)由原型鉛冷快堆BREST-OD-300 以及配套閉式燃料循環(huán)設(shè)施構(gòu)成的“中試示范能源綜合體”。BREST-OD-300 于2021 年6 月啟動建設(shè)，將采用鈾钚混合氮化物燃料，預(yù)計2026年投入運行，主要用于獲得運行經(jīng)驗，驗證鉛冷快堆的安全性和經(jīng)濟性，給未來BR-1200商用堆奠定基礎(chǔ)。

鉛冷快堆的下一步發(fā)展方向是建設(shè)大型鉛冷快堆BR-1200。BR-1200 在2019 年形成概念設(shè)計，反應(yīng)堆廠房總體尺度顯著小于同等裝機容量的VVER 反應(yīng)堆，從而提升經(jīng)濟性，建設(shè)費用比VVER-TOI 下降20%，發(fā)電效率可達(dá)到44%。俄原集團(tuán)認(rèn)為可在2030年前啟動反應(yīng)堆建設(shè)。

4 熔鹽堆發(fā)展方向

俄羅斯過去對熔鹽堆僅開展了理論研究。鑒于其固有安全性、閉式燃料循環(huán)、焚燒長壽命錒系元素等優(yōu)勢，近年來將熔鹽堆也納入了核工業(yè)發(fā)展國家計劃。熔鹽堆發(fā)展的第一步將建設(shè)一座實驗熔鹽堆及其乏燃料后處理模塊。

實驗堆熱功率不超過1萬千瓦，以VVER乏燃料后處理后的四氟化钚溶解于氟化鋰鈹鹽的混合物作為燃料。建設(shè)地點位于礦業(yè)與化學(xué)聯(lián)合體，計劃2024年完成設(shè)計，2027年申請建設(shè)許可證，2031 年啟動建設(shè)。俄原集團(tuán)2021 年啟動的工作涉及熔鹽堆中子物理學(xué)軟件、合金結(jié)構(gòu)材料生產(chǎn)與實驗驗證等，2022 年生產(chǎn)出第一批氟化鋰鈹鹽，還計劃在2027 年建成實驗熔鹽堆主要部件的全尺寸原型測試臺架。

5 小結(jié)

在發(fā)展“二元核能體系”戰(zhàn)略下，為達(dá)到提升閉式燃料循環(huán)能力、降低天然鈾需求、減少放射性廢物量等目標(biāo)，提升核能可持續(xù)發(fā)展能力，俄羅斯推動支持閉式燃料循環(huán)的新型核能堆型發(fā)展布局，從多條堆型路線上原創(chuàng)性地提出新解決方案，布局了一系列發(fā)展方向，為未來核能發(fā)展奠定技術(shù)儲備。

根據(jù)已有技術(shù)發(fā)展水平的差異，俄羅斯新技術(shù)布局和進(jìn)度設(shè)想主要包括：（1）成熟技術(shù)優(yōu)化，在成熟的VVER-1200 壓水堆基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，發(fā)展中子能譜可調(diào)的VVER-S大型商用機組，計劃2030 年前建成；（2）完成技術(shù)驗證，發(fā)展大型商用堆，一是計劃2035 年前建成大型商用鈉冷快堆BN-1200M，二是期望在2030年啟動大型商用鉛冷快堆BR-1200建設(shè)；（3）對超臨界水堆、熔鹽堆等基礎(chǔ)薄弱、技術(shù)尚未成熟的堆型，近期重點開展關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，準(zhǔn)備建設(shè)實驗堆，熔鹽堆實驗堆可能在2030年左右開始建設(shè)。

上述新堆型技術(shù)開發(fā)將加強俄羅斯核能工業(yè)技術(shù)儲備，提升其未來發(fā)展?jié)摿εc競爭力，但是新堆型技術(shù)研發(fā)周期長、技術(shù)風(fēng)險大。尤其是超臨界水堆、熔鹽堆技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，且俄羅斯經(jīng)費和資源保障能力欠缺，核工業(yè)重大工程項目屢屢拖期。這些新堆型是否都能如期取得進(jìn)展，尚存在較大的不確定性。