张东辉，乔鹏瑞，杨 勇，杜静玲

(中国原子能科学研究院，北京 102413)

快堆是利用快中子实现链式裂变反应的反应堆，具备可大幅提高铀资源利用率、进行长寿命废物嬗变和固有安全性高等特点。核燃料循环是指从铀矿开采到核废物最终处置的一系列工业生产过程，分为一次通过循环和闭式循环[1]。对于一次通过循环，乏燃料从反应堆卸出后，经过中间储存和包装之后直接进行地质处置，该种燃料循环方式会造成严重的铀资源浪费，并且乏燃料对环境的长期威胁极大；先进的闭式燃料循环能利用快堆增殖和嬗变的特点，充分利用铀资源，并且实现废物最少化，从而确保核能的可持续发展。

随着我国经济和社会的高速发展，能源需求也日益增长，核能作为绿色、经济、安全的清洁能源，在我国能源供应中占有重要地位，并且其在能源供应中的占比也越来升高。本文从我国核能可持续发展的角度，对基于快堆的闭式燃料循环体系发展战略进行思考和探讨。

1 中国能源发展现状及核能发展需求

2018年，中国一次能源共生产了37.7亿t标煤，同比增长5%，是6年来增长最快的一年(图1)。在生产的一次能源中，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%，中国目前已经成为世界上最大的水电、风电和太阳能发电装机的国家[2]。

从能源消费来看，中国的能源消费6年来一直在持续增长，具体如图2所示。2018年中国的能源消费达到了46.4亿t标煤，同比增长3.3%。同时，能源消费的结构也有所改善，2018年的煤炭能源消费占比59%，同比下降了1.4%。包括天然气、水电、风电和核电在内的清洁能源消费总计占比22.1%，较去年增长了1.3%。非化石能源占一次能源消费的14.3%。值得注意的是，可再生能源中，风电的装机容量和发电量已超过核电，太阳能的发电效率也有了很大提升，风电和太阳能的价格下降很快，表现出了越来越高的竞争力。这是核能发展必须要考虑的一个因素。

图1 一次能源生产(2013—2018)Fig.1 Primary energy production (2013—2018)

图2 一次能源消费(2013—2018)Fig.2 Primary energy consumption (2013—2018)

在核能方面，2018年中国的核电保持了安全平稳运行，装机容量为总装机容量的2.35%，发电量占比4.22%。截至2018年底，我国共有在运核电机组44台，装机容量44.454 GW，发电2 944亿度，增长了18.96%。2018年度核电运行未发生一级及一级以上事故，我国的核电运行指标在国际上名列前茅。

2018年我国核电机组平均运行小时数为7 499.22 h，平均机组利用率85.61%，两年来连续增长。核电建设也取得了突破性进展，在3代核电方面，世界上AP1000和EPR的首台机组投入运行，中国具有自主知识产权的华龙一号示范项目进展顺利。根据预测，中国的核电占比将从现在的4.22%增长到2035年的10%。到2035年，核电机组总的装机容量将达到150 GW[3]。核电将为我国清洁低碳能源的发展做出突出贡献。

但当核能大规模发展时，将不可避免遇到铀资源的问题，目前我国的铀对外依存度已超过石油。根据红皮书的数据，全球可经济开采的铀资源仅在700万t左右[4]。按1座百万千瓦压水堆60年寿期需10 000 t天然铀计算，目前全球总装机容量约为390 GW，全部铀资源仅可供约100年使用。考虑到中国等国家的新增核电容量，该时间还会更短。另外，如果采用一次通过模式，对乏燃料不加处置，大量乏燃料还会在几十万年的尺度上对环境形成威胁。因此，发展基于快堆的先进核燃料循环系统，将天然铀中占99.3%的238U利用，并将乏燃料中的长寿命次锕系元素嬗变掉，将核能改造成可大规模、可持续、环境友好的能源，是我国核能发展的不二选择。

2 世界快堆与核燃料循环体系发展概况

不断增长的能源需求，要求世界各国更广泛地利用可靠且环境友好的能源，21世纪中叶之前全球需要大量部署新的能源。为保障能源绿色、环保、可持续发展，核大国均在积极部署未来10年乃至30年内新的核能技术。其中，以快堆为首选堆型的第4代核电是核能发展的方向。

俄罗斯政府2000年发布《俄罗斯2050核电发展战略》，明确未来核能方向是发展快堆及其闭式燃料循环。为此，俄罗斯国家原子能公司(ROSATOM)2011年制定了长期发展战略，通过“突破”(PRORYV)项目计划，发展快堆封闭燃料循环，实现核能可持续发展。俄政府计划到2050年，大幅增加快堆数量，实现核电占比45%～50%，到21世纪末实现核电占比70%～80%。

美国先进反应堆技术开发愿景是在2050年之前，先进反应堆在美国以及全球的能源结构中发挥显著作用，且其作用不断增强。考虑到新核电技术的部署可能需要15～20年的时间，美国能源部(DOE)已经为先进反应堆开发和部署制定了专门的目标。其先进反应堆技术开发目标为在21世纪30年代初期，至少有两座先进非轻水堆实现技术成熟，并完成安全性、经济性验证和许可评估。

欧盟委员会认为新型反应堆以及先进核燃料循环技术是清洁、安全、高效的能源系统的关键，需对其进行持续的研发投资。2007年，欧盟委员会提出了旨在保证欧盟能源技术领导地位，实现2020—2050年能源及气候目标的战略能源技术计划(SET Plan)。该计划于2014年发布的整体路线中提出了“支持核能系统的安全高效运行，开发新型反应堆、研究裂变材料及放射性废料管理的可持续解决方案”。研发投资的重点领域为延长反应堆的运行寿命以及论证未来的闭式核燃料循环系统的安全性。重点行动包括：开发高优先级的4代快堆论证装置，测试各种核燃料循环方案，包括裂变材料的回收及次锕系元素的转化、论证核燃料制造及后处理、地质处置、乏燃料及高放废物的临时贮存、研发在4代反应堆工作条件下使用的核材料以及可提高核电厂安全及效益的新型核材料。

由国际原子能机构组织30个成员国参与的创新核反应堆和燃料循环国际项目(INPRO)已经定义了一套评估创新型核能系统可持续性的原则和要求，基于闭式核燃料循环和快堆的核能系统(CNFC-FR)是其评估的重点内容之一。

此外，日本、韩国、印度等也都制定了本国的快堆及核燃料循环发展规划。

钠冷快堆具有可增殖核燃料、嬗变长寿命放射性废物、固有安全性高及经济性前景好等特征，一直作为国际上先进核能系统的主要研究方向，是第4代先进反应堆中发展最快、最为成熟的反应堆堆型。世界上开展钠冷快堆研发的国家主要有俄罗斯、法国、印度、中国、日本、美国、韩国、瑞士等。包括中国实验快堆(CEFR)在内，目前世界上已建成23座钠冷快堆，积累了约400 堆·年的运行经验，具有较好的商用推广基础。俄罗斯、法国、日本、印度和中国开展了示范快堆甚至商用快堆的建设，以法国、日本、美国为代表的其他国家虽暂缓开展钠冷快堆的工程建设，但也都在积极开展钠冷快堆的研发。

3 我国核能发展与先进核燃料循环体系建设

我国核能发展的总体战略是“热堆-快堆-聚变堆”三步走。其中，热堆以压水堆为主，主要解决以东部地区为代表的能源短缺问题，主要利用235U；快堆以钠冷快堆为主，可支撑核能大规模可持续发展，同时嬗变压水堆乏燃料中的长寿命锕系元素，减少废物量，主要利用238U，远期可利用232Th；聚变堆原则上可利用海水中大量存在的氘，解决人类的终极能源问题，但由于氘-氘聚变的难度大，在前期将主要采用氘-氚聚变，而氚则主要来源于锂，其总量受到锂资源的限制。

为实现核能从235U到238U的跨越，需从快堆、燃料、后处理等方面综合考虑，突破技术和商用型号开发，达到商用推广的目的。

3.1 快堆

快堆或快中子装置担负两个方面的使命：增殖和嬗变。其中，从增殖性能、成熟性、经济性等多方面综合考虑，钠冷快堆是大型增殖快堆的最佳选择。中型钠冷快堆和铅基冷却快堆的加速器驱动系统(ADS)则比较适合于嬗变。多用途的小、微型快堆则有更大的堆型选择范围，包括气冷堆、熔盐快堆等。

综合考虑技术、风险、经济、时间等因素，我国快堆的发展采用“实验快堆-示范快堆-商用快堆”三步走战略。为提高技术的一致性，从实验快堆开始即选择基本相同的解决方案，如：冷却剂采用热工特性、中子特性和材料相容性等各方面综合性能最好的液态金属钠；堆型方面，考虑到经济性以及固有安全性，一回路采用了一体化池式结构；主热传输系统采用钠-钠-水三回路，在初期阶段为提高机组的可利用率，蒸汽发生器采用多模块设计；安全性上采用负反馈设计、非能动余热排出系统和低压安全壳。表1列出了快堆发展各阶段的技术延续性。

表1 快堆发展各阶段的技术延续性Table 1 Technical continuity at all stages of fast reactor development

3.2 燃料

燃料是决定快堆安全性和经济性的核心。由于快堆燃料的燃耗深、工作温度高、快中子通量高，对材料和工艺的要求非常高。在初期阶段，为解决有无问题，降低燃料制造难度，大多国家均采用氧化物燃料(UO2或MOX)，但因其能谱较软，快堆的增殖比往往不高。在快堆发展的中后期，各国均在进一步研究高致密度燃料，主要包括金属燃料或氮化物燃料。同时，鉴于服役环境的要求高，快堆元件包壳材料需采用低肿胀、耐高温的材料，初期大多采用316Ti不锈钢，后期主要向1515Ti、HT9以及ODS等材料过渡。

由于239Pu平均裂变中子数要显著高于235U，因此含钚的燃料对快堆更加适合。在可能的情况下，铀燃料要尽快过渡到钚燃料。

3.3 后处理

我国快堆核能系统发展总体目标设想为：1) 第1阶段(2020年前)，以CEFR、后处理中试厂、MOX实验线为平台，实现中试规模循环研究；2) 第2阶段(2025年前)，以CFR600、200 t/a后处理厂、20 t/a MOX厂为平台，实现工程规模循环；3) 第3阶段(2035年前)，以CFR1000、大型商用后处理厂、大型商用金属燃料厂为平台，实现商业规模循环；4) 第4阶段(2040年前)，建成快堆乏燃料后处理厂，进入快堆全循环。

为配合快堆发展需要，后处理总体上分为3个阶段：第1阶段，水法处理压水堆乏燃料组件，用以给快堆提供MOX燃料初装料所需要的工业钚；第2阶段，干法处理快堆乏MOX燃料，实现快堆增殖燃料的闭式循环；第3阶段，高温冶金干法处理乏金属燃料，实现快速高增殖目标。

对于后处理技术，鉴于快堆乏燃料组件的高燃耗以及乏组件内易裂变材料含量高，干法后处理是必然选择。特别是对于金属燃料，由于燃料棒内含有金属钠，从根本上排除了采用水法处理的可能性。另外，由于在中后期要实现在快堆内对长寿命次锕系元素(MA)的嬗变，在后处理工艺中应考虑对MA的提取或共沉淀。研究的后处理流程可分为两类：即全分离和部分分离。全分离技术的要点是改进Purex流程，除了分离铀、钚外，同时分离镎、锝、碘，然后进一步分离高放废液中剩余的铀、钚、次锕系元素以及锶、铯。分别得到上述元素的单个产品。部分分离是得到铀和钚/超铀的混合产品，由于得到的是锕系混合物，可用于均匀嬗变。部分分离由于不能得到“纯钚”，可防扩散，因而近年来国际上较为热门。

4 结语

快堆是我国核能发展“热堆-快堆-聚变堆”三步走战略的重要一步，是先进核能系统的发展方向。基于快堆的燃料循环系统是国际公认的先进燃料循环系统，但要实现可持续、经济性好、安全性高以及防核扩散等方面的要求，涉及到的技术和工业体系非常复杂，很多技术路线尚在探索中。为规范发展，应在核工业和相关工业界充分讨论的基础上，形成统一意见，制定并发布快堆及先进核燃料循环体系的中长期发展规划，确保发展的正确性和可持续性。