快堆让核燃料越烧越多

在国家八六三高技术计划中耗资最大的一个项目是设计、建造一座热功率6．5万千瓦、电功率2万千瓦的实验快堆，定名为中国实验快堆。该项目由中国原子能科学研究院负责实施，由该院和核工业第二研究设计院进行设计。目前已进入施工设计阶段，设备订货已经开始，预计该堆2003年首次临界。

快堆与秦山、大亚湾核电站用的压水堆一样都是核裂变反应堆。但在这种反应堆中主要引起易裂变原子核铀－235或钚－239等产生裂变链式反应的是快中子，故称快堆。而压水堆属热中子反应堆，中子能量与原子热运动的能量相当，故称热中子。这里快堆快中子的能量要比压水堆的热中子的能量大百万倍。

为了保持引起裂变链式反应的中子主要是快中子，裂变出来的新的中子不能受到过分的慢化。快堆要用金属钠做冷却剂，将核裂变热能载带出来，最终将水加热成饱和蒸汽，继而成过热蒸汽，像火电站一样推动汽轮发电机发电。

钠在常压下沸点是881℃，从堆芯载热出来时的平均温度是540℃左右，远低于其沸点，不需要像压水堆那样有高的压力。因此快堆是一种高温低压系统。

至今，我们知道自然界存在的易于吸收中子而裂变的原子核仅有铀的一种同位素铀－235原子核，它在天然铀中的丰度只有0．71％左右，而占99．2％以上的铀－238则不易裂变。压水堆就是主要利用铀－235裂变的堆型。猛一看，单单发展压水堆最多只能利用铀资源的0．71％。但不然，因为在压水堆运行时，有一部分铀－238原子核会吸收中子变成钚－239，这是一种人工易裂变核，可以作为反应堆的裂变燃料。

在压水堆中，每烧掉1公斤铀－235或钚－239，还可以生产出约0．6公斤新的钚（包括钚的各种同位素），又可以回堆再用，等它烧完时又可新生产出0．6×0．6公斤钚燃料，以此类推。可见，易裂变燃料越烧越少。单单发展压水堆，考虑钚的再循环和损耗，最终可以利用铀资源的1％左右。这个利用率仍然太低，99％左右的铀资源没有利用起来。

在快堆中却是另一种情况。在这种堆中，每消耗1公斤易裂变燃料可以产出多于1公斤甚至高达1．5公斤以上的新的易裂变燃料（钚），生产能力的高低依赖于对反应堆的设计。所以快堆可以做到燃料越烧越多，实现了增殖。快堆又称快中子增殖反应堆，或快增殖堆。而且，快堆是目前唯一现实的增殖堆型。多生产出来的燃料可以用于新建快堆，新快堆又进行增殖。从效果看，快堆运行中真正消耗的不是开始放进去的易裂变燃料铀－235，而是占天然铀99．2％以上的铀－238。所以在发展压水堆的基础上再发展快堆，考虑钚的再循环和损耗，可将铀资源的利用率提高到60～70％。由于利用率的提高，更贫的铀矿也有了开采的价值，就世界范围讲可采铀资源将增加千倍。所以说，把快堆发展起来，裂变核能将成为几乎不可耗竭的能源。

我国改革开放二十年来，国民经济发展突飞猛进，为实现下世纪中叶达到中等发达国家的经济水平的战略目标打下了良好基础。

对比当今中等发达国家的经济水平，特别是经济发展的基础，要求年人均能耗至少应达到3吨标煤，年人均电力消耗至少应达到5000度。目前我国这两项指标只有约1吨标煤和约1000度电的水平。

国家八六三高技术计划能源领域在七五期间组织的论证说明，在充分预测石油、天然气、煤和水力等各种能源潜力的条件下，到2050年，核电容量应发展到2．4亿千瓦，占估计的当时总电力装机容量的20％左右。当前世界核电已占总电力装机容量的17％，而法国已达80％，所以20％并不是太高的数值。

2．4亿千瓦核电容量如果均用压水堆来满足，则这些核电站的整个寿期中要消耗120万吨天然铀，差不多是全世界经济可采的铀资源的一半，国内难以满足。国外目前已有3．5亿千瓦核电站在运行，到我国下世纪大规模发展核电的时候，国外的便宜铀资源也将紧缺，也不可能满足我国的需要。

但是，只要将快堆及其相关的封闭的燃料循环发展起来，并能在2025～2030年起推广大型增殖快堆，在2050年达到20％甚至更高的核电容量是有可能的。

快堆是一种多学科的综合性能源技术，必须从基础研究、实验快堆、原型快堆、大型快堆一步一步发展，以减少技术和投资风险。我国快堆基础研究始于六十年代中后期，实验快堆已开始设计建造。全面掌握实验快堆和原型快堆的经验，我们还需要二十余年时间，只有积极安排才能适时进行大型增殖快堆的推广应用。如果推广时间后延，燃料则来不及增殖，2050年核能就做不到这样大的贡献。

国外快堆发展已有五十年的历史，共建成了20座快堆，包括实验快堆、原型快堆和大型快堆，最大单堆电站功率已达到电功率120万千瓦。主要核国家都已掌握了快堆技术。实践证明，快堆是一种安全可靠的堆型。目前是单堆生产，经济性不好，一旦推广应用，便有经济竞争力。

由于目前欧美经济发展不快，人口几无增长，德国购得便宜的天然气，美、英控制了中东石油，法国电力过剩，它们近一二十年内已不再建核电站，快堆的商用计划也就推晚了。这些国家仍继续快堆的技术开发，重点从增殖核燃料转向了用快堆来焚烧核电站产生的放射性废物和过剩的钚，使之对环境无害。缺少能源的国家和积极开发快堆市场的国家对快堆发展和商用计划并不放松，如俄、日、印、韩国等。俄已开始两座80万千瓦的快堆电站的建造，一座在斯维尔德洛夫斯克，一座在南乌拉尔。印度将于2001年开始建造一座50万千瓦快堆电站，预计2020年印度将有五座这一规模的快堆运行，日本原子能委员会认定快中子增殖堆和基于钚利用的封闭的核燃料循环是日本供应长期稳定能源的方向，成立了日本核燃料循环研究院，加强快堆技术开发。韩国快堆发展计划已经开始，技术路线是国际合作，跳过实验快堆阶段，一步到原型快堆规模的模块快堆。巴西也已开始组织快堆技术的发展工作。

各国快堆商用推广阶段何时到来完全由国家自身需要决定。法国原子能委员会反应堆局局长B．巴亥（B．BARRE）先生于1998年10月在欧洲核学会1998年专题讨论会上发表文章说：按照现在世界上核能发展情况，可能快堆商用化要到2030～2040年，……如果中东又爆发严重的石油危机，或者美国真正承诺减少二氧化碳释放，或者……，快堆商用化日程就会提前。

前面已经说到，要实现快堆的应用，必须从堆的规模上逐步发展。对于工程发展的第一步，实验快堆已在国家高技术计划中安排了。然而快堆的应用必须要建立封闭的燃料循环系统，就是要建立工业规模的后处理厂，能从核电站烧过的燃料中取出铀、钚来；要建立工业规模的快堆燃料制造厂，能将后处理厂处理出来的铀和钚做成快堆合用的燃料。同时还要建立相应的对环境无害的核燃料运输技术和废物处理技术。快堆是个系统工程，实现快堆的应用包括了封闭的燃料循环这一更大的系统工程。