從設(shè)計(jì)到制造再到運(yùn)營，我國都是“零經(jīng)驗(yàn)”。隨著臨界成功，中國成為繼美、俄、法等國之后，世界上第8個(gè)擁有快堆技術(shù)的國家a

隨著中國實(shí)驗(yàn)快堆主控室內(nèi)越來越急促的滴滴計(jì)數(shù)聲，在場所有人的心也被緊緊提起。2010年7月21日9點(diǎn)50分，源量程周期穩(wěn)定在100秒達(dá)到了兩分鐘，中國核工業(yè)集團(tuán)公司副總經(jīng)理?xiàng)铋L利宣布：“中國實(shí)驗(yàn)快堆首次實(shí)現(xiàn)臨界！”當(dāng)時(shí)在場的很多老專家已經(jīng)無法抑制心中的激動，現(xiàn)場響起一片熱烈的掌聲。

臨界后的座談會上，楊長利激動地說：“對于正在提速核電發(fā)展的中國而言，實(shí)驗(yàn)快堆臨界成功將極大地加快我國核電建設(shè)步伐，作為在建核電規(guī)模最大的國家，中國正在以自己的速度，追趕乃至引領(lǐng)世界核電步伐”。

此刻，這項(xiàng)我國核電領(lǐng)域的重大自主創(chuàng)新成果，意味著我國在第4代先進(jìn)核能系統(tǒng)技術(shù)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了重大突破。

核電：能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化上選

將時(shí)間倒回6月，國際能源機(jī)構(gòu)與經(jīng)合組織核能機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)布未來核能發(fā)展路線圖。路線圖指出，從現(xiàn)在起到2050年，全世界1/4的電力都將通過核能獲得。

人們不禁要問：核電為什么這么受寵？它的好處在哪里？中國實(shí)驗(yàn)快堆工程部總經(jīng)理張東輝告訴記者，核電在清潔能源減少二氧化碳排放上發(fā)揮著“至關(guān)重要”的作用。在我國能源結(jié)構(gòu)中，煤炭、石油等化石類能源一直占據(jù)絕對主導(dǎo)地位，勢必對節(jié)能減排造成壓力。為應(yīng)對全球氣候變暖，我國政府決定大力發(fā)展可再生能源，積極推進(jìn)核電建設(shè)。

“它沒有二氧化碳排放，是零排放，是清潔能源?，F(xiàn)在我國主要是以火力發(fā)電為主，排放壓力很大，所以今后全球包括中國都希望加大核電的比重，減緩對氣候變化的影響。核能的利用在全球來講，應(yīng)該說是一個(gè)方向吧！”張東輝這樣說道，“更何況從全產(chǎn)業(yè)鏈來看，核能是最為節(jié)能減排的能源形式。哪怕是水電，在建設(shè)過程中對于水泥等建筑材料的消耗量仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過核電”。

按照國際能源機(jī)構(gòu)的介紹，目前核能利用技術(shù)已經(jīng)十分成熟，幾乎所有全球在建的新型核反應(yīng)堆都以50年技術(shù)發(fā)展作為基礎(chǔ)。我國目前引進(jìn)的一些先進(jìn)技術(shù)，可以使核電站運(yùn)行60年，而傳統(tǒng)的火電站只有20年壽命。

除了大家熟知的秦山核電站、大亞灣核電站以外，近年來，浙江三門核電站、山東海陽核電站、廣東臺山核電站等項(xiàng)目相繼開工建設(shè)。數(shù)據(jù)顯示，截至去年年底，中國已經(jīng)核準(zhǔn)10個(gè)核電項(xiàng)目，成為世界上在建核電規(guī)模最大的國家。與其他清潔能源相比，核電還具有成本較低的優(yōu)勢。數(shù)據(jù)顯示，上述6座目前我國正在運(yùn)營的核電站上網(wǎng)電價(jià)在0.39-0.46元之間，已經(jīng)低于當(dāng)?shù)鼗痣妰r(jià)格。

因此，如果要達(dá)到擴(kuò)大能源供給、減少碳排放、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)3大主旨要求，核能已經(jīng)成為清潔能源的不二選擇。

那么我國目前核電發(fā)展形勢又是怎樣呢？說到這里，張東輝輕輕搖了搖頭：“目前為止我國核能發(fā)電量占總發(fā)電量的約2%，核電的裝機(jī)容量也僅僅只有900萬千瓦，所占比例過小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界平均水平”。

國際能源機(jī)構(gòu)的最新統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，目前全球核設(shè)施發(fā)電量占全球發(fā)電總量的14%，而發(fā)達(dá)國家基本都已達(dá)到30%左右。相對比我國2%的數(shù)字而言，顯然相去甚遠(yuǎn)。

為此，中國已經(jīng)有了自己核電發(fā)展時(shí)間表，計(jì)劃到2020年非化石能源在能源消費(fèi)的占比達(dá)到15%左右，到2020年核電總裝機(jī)達(dá)7000-8000萬千瓦，較2009年底的910萬千瓦增長近9倍。

快堆：核電發(fā)展新時(shí)代

然而，我國乃至全球爆發(fā)式的核電需求帶來了諸多問題，燃料，就是其中最為關(guān)鍵的一個(gè)。

“當(dāng)我們都希望建設(shè)核電站的時(shí)候，就需要想一想，世界上存量核能是否有能力擔(dān)負(fù)這樣的重任”，張東輝語重心長地告訴記者，核能在這點(diǎn)上與化石能源性質(zhì)類似，同樣存在資源枯竭問題。數(shù)據(jù)顯示，目前，在核電站中廣泛應(yīng)用的壓水堆(如我國的秦山、大亞灣核電站堆型)，對天然鈾資源的利用率只有約1%，根據(jù)目前全球的鈾礦探明儲量470萬噸，按照現(xiàn)有壓水堆使用模式及數(shù)量計(jì)算，可供人類使用約65年。

但是現(xiàn)有電站主要分布在發(fā)達(dá)國家，例如美國、歐洲、日本，而當(dāng)中國一躍成為在建核電站最多的國家后，發(fā)現(xiàn)如果我們要達(dá)到核電發(fā)電量占總發(fā)電量20%-30%這樣一個(gè)比例，需新建核電站400-500座，這一數(shù)字相當(dāng)于目前全世界核電站數(shù)字的總和。

對中國自身而言，更為嚴(yán)峻的事實(shí)在于，我國探明鈾礦儲量僅有10萬噸左右，占全球比例約2%，屬貧鈾國。這意味著，隨著我國核電建設(shè)的推進(jìn)，未來鈾礦需求將明顯增加。如果缺乏充足的鈾礦資源支撐，難免再現(xiàn)在原油、鐵礦石資源上受制于國際礦商的窘境。

除此之外，大規(guī)模核電建設(shè)所涉及的安全隱患也廣為公眾詬病。在人們?nèi)匀徽劇昂恕鄙兊慕裉欤瑢Νh(huán)境和人類的長期影響也成為制約核電大規(guī)模發(fā)展的因素之一。

在張東輝看來，上述兩個(gè)問題都需要新技術(shù)予以解決。2000年，以美國為首的11國提出第4代核電系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目，我國于2006年加入其中。在第4代核電系統(tǒng)評估體系中共提出4項(xiàng)指標(biāo)來判定新技術(shù)是否具有推廣價(jià)值，其中可持續(xù)性、安全性、經(jīng)濟(jì)性及核不擴(kuò)散位列其中。

“核電建設(shè)前期投入巨大，如果幾十年之后鈾原料枯竭了，這一方式便必然不能成為解決能源問題的長久之計(jì)。而目前世界范圍內(nèi)技術(shù)最為先進(jìn)的核聚變在實(shí)驗(yàn)室里已經(jīng)做到，但集全世界之力也僅僅在法國建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，且花費(fèi)百億美元，經(jīng)濟(jì)性過低商業(yè)推廣便沒有價(jià)值?！备鶕?jù)各項(xiàng)指標(biāo)綜合考量，各國確定了6種第4代核電系統(tǒng)主流堆型，這其中，3種為快堆。張東輝向記者娓娓道來，在快堆技術(shù)中，鈉冷快堆，即我國首座實(shí)驗(yàn)快堆所采用的技術(shù)手段被公認(rèn)為最現(xiàn)實(shí)、各方面最為均衡的技術(shù)。

那么快堆比目前商業(yè)推廣成熟的壓水堆技術(shù)高明在何處呢？“快堆可以將天然鈾中99.3%的鈾238轉(zhuǎn)換成好用的钚239全部用來發(fā)電”，張東輝說，目前在核電站中廣泛應(yīng)用的壓水堆(如我國的秦山、大亞灣核電站堆型)，對天然鈾資源的利用率只有約1%，而快堆則可將這一利用率提高到60%-70%。這一轉(zhuǎn)換帶來的效果可以將核電能量從百年延續(xù)到3千年以上。對于中國來講，盡管國內(nèi)鈾資源比加拿大、澳大利亞等國家都要差，但如果全面采用快堆技術(shù)，自己的鈾資源在全國的電都通過核電方式解決的前提下，也可延續(xù)千年。

由于利用率的提高，相對較貧的鈾礦有了開采價(jià)值。就世界范圍講，可采鈾資源將因此增加上千倍。以目前探明的天然鈾儲量推測，快堆的使用可以使鈾資源可持續(xù)利用3000年以上。

快堆技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)核燃料“越燒越多”，還具有處理壓水堆核廢物的環(huán)保意義。壓水堆在反應(yīng)后的剩余物放射性仍然很強(qiáng)，如果直接進(jìn)行地質(zhì)處置，耗資驚人，占地驚人。

此前就有韓國媒體報(bào)道稱，韓國原子能研究院預(yù)計(jì)投資300億韓元(1美元約合1140韓元)研發(fā)鈉冷快堆技術(shù)，最重要原因在于韓國現(xiàn)有的4座核電站，20座核反應(yīng)堆年產(chǎn)生約700噸核乏燃料，截至去年年底已累計(jì)儲存1萬噸。照此速度，到2016年，這些“不受歡迎”的高放射性材料現(xiàn)有的儲存空間就將處于完全飽和狀態(tài)。

而我國開發(fā)的實(shí)驗(yàn)快堆就是采取鈉冷快堆這種技術(shù)手段，它可利用核乏燃料作為核燃料。所謂核乏燃料是指在反應(yīng)堆內(nèi)用過的核燃料，它含有鈾等放射性材料。在對核乏燃料進(jìn)行再處理以供鈉冷快堆使用時(shí)，可以不分離钚，而是將钚同其他元素混合，重新作為核燃料使用。而這些核廢料在快堆反應(yīng)中經(jīng)過回收再利用以后，放射性物質(zhì)的衰變期只有二三百年，可以大大減少核廢物處置量，降低乏燃料長期毒性風(fēng)險(xiǎn)。張東輝告訴記者，在把其他技術(shù)所不能利用的貧鈾進(jìn)行轉(zhuǎn)化過程中，一座快堆可以支持5-10座壓水堆的長壽命放射性廢物的處理，具有十分良好的經(jīng)濟(jì)效益。

對于安全問題，張東輝認(rèn)為公眾大可不必有恐慌情緒：“大家很擔(dān)心的是：核電站和原子彈有什么區(qū)別？實(shí)際上這兩者在原理上完全不同：原子彈要把高純的核材料通過炸藥爆炸在極短的時(shí)間內(nèi)壓縮到一起形成核爆炸；而核電站的核材料是分散在堆芯內(nèi)部，在可控狀態(tài)下進(jìn)行能量的緩慢釋放，在任何情況下都不會發(fā)生類似于原子彈的情形。自原子能和平利用60年來，核電已經(jīng)積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，尤其在安全方面已經(jīng)形成了一整套的技術(shù)和方法，核電站在安全方面的投入也是其他工業(yè)所不能比擬的。下一代的核電，比如快堆，可以做到無論發(fā)生什么事故，都可以將其后果限制在廠區(qū)內(nèi)部，不對廠外公眾的生活產(chǎn)生影響”。

碩果：過程艱辛終成功

“快堆可以將鈾資源的利用率從壓水堆的約1%提高到60%-70%，同時(shí)可以將壓水堆乏燃料中存在的長壽命放射性廢物當(dāng)作核燃料燒掉”。懷揣著這樣的夢想，一群人堅(jiān)守了近半個(gè)世紀(jì)。

中國實(shí)驗(yàn)快堆，這項(xiàng)國家“863”計(jì)劃中投資最大的專案，早在上世紀(jì) 60年代中期就開始起步，主要在物理、熱工、結(jié)構(gòu)材料和鈉工藝方面開展一些基礎(chǔ)研究，隨著社會經(jīng)濟(jì)變革，國家對科研的投入減少，國內(nèi)快堆研究工作陷入困境。

當(dāng)徐銤等快堆專家焦慮彷徨的時(shí)候，“863”計(jì)劃的開展徹底扭轉(zhuǎn)了這一局面。經(jīng)過各領(lǐng)域?qū)＜业某浞终撟C，快堆脫穎而出，被列入“863”計(jì)劃能源反應(yīng)堆主題項(xiàng)目。中國原子能科學(xué)研究院也在“八五”時(shí)期開始工程設(shè)計(jì)。確定了中國實(shí)驗(yàn)快堆堆本體采用池式結(jié)構(gòu)，首爐使用UO2燃料并向MOX燃料過渡，液態(tài)金屬鈉做冷卻劑，熱傳輸系統(tǒng)采用鈉、鈉、水3回路系統(tǒng)，并首次在1回路設(shè)置非能動事故余熱排出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方向。

中國實(shí)驗(yàn)快堆還實(shí)現(xiàn)了多方面突破：在世界上首次采用了非能動事故余熱排出系統(tǒng)，與世界已建快堆相比，是最安全的一座快堆；自主完成了反應(yīng)堆換料系統(tǒng)設(shè)計(jì)，快堆的換料是在封閉系統(tǒng)中靠遙控自動完成的，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該設(shè)計(jì)是先進(jìn)可靠的；采用了先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)，自主完成計(jì)算機(jī)監(jiān)控和主控室設(shè)計(jì)，大大簡化了主控室操作，給操縱員應(yīng)急操作帶來了極大方便。

張東輝告訴記者，事故余熱排出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理是依靠自然對流和自然循環(huán)導(dǎo)出余熱，不用閥門和泵。因此，該系統(tǒng)可以保證在全廠斷電、地震和失水等最嚴(yán)重的事故狀態(tài)下，將堆芯余熱導(dǎo)出，從而保證反應(yīng)堆的安全。

回顧這座熱功率65MW、試驗(yàn)發(fā)電功率20MW的實(shí)驗(yàn)堆建設(shè)過程，張東輝這位快堆當(dāng)家人最為驕傲的是實(shí)驗(yàn)快堆對我國核電裝備自主化全產(chǎn)業(yè)鏈帶來的拉動作用。他微笑著告訴記者：我們希望通過實(shí)驗(yàn)快堆的建設(shè)，帶動我國一批裝備制造企業(yè)走上更加高端的自主創(chuàng)新之路”。

中國實(shí)驗(yàn)快堆有200多個(gè)系統(tǒng)，設(shè)備達(dá)7000多臺套，除幾個(gè)關(guān)鍵設(shè)備從國外進(jìn)口外，其他全部由國內(nèi)設(shè)計(jì)和制造，國產(chǎn)化率達(dá)到70%以上。

堆容器是中國實(shí)驗(yàn)快堆的核心部件，高12米，直徑8米，壁厚25毫米，內(nèi)部構(gòu)件多達(dá)5.5萬件，總重700多噸。該容器屬于大型薄壁容器，制造難度極大。難點(diǎn)在于焊接工藝、熱處理工藝、加工精度和長途運(yùn)輸。稍有不慎，造成返工或報(bào)廢，就可能帶來重大損失。

中國一重集團(tuán)與原子能院一起聯(lián)合設(shè)計(jì)并承擔(dān)了這一大型非標(biāo)設(shè)備的制造和安裝，并實(shí)現(xiàn)了一次制造成功、一次運(yùn)輸成功、一次安裝成功。創(chuàng)造了快堆大型核設(shè)備制造的高質(zhì)量，也創(chuàng)造了我國自主創(chuàng)新的新紀(jì)錄。這一成功標(biāo)志著我國在核設(shè)備設(shè)計(jì)制造能力方面取得了新的突破。

除了大型設(shè)備以外，純度要求很高的核級鈉的生產(chǎn)必須提前做出安排。原子能院在基礎(chǔ)研究中已經(jīng)掌握了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模核級鈉的制備技術(shù)。但是要滿足快堆335噸的供應(yīng)量，必須建立工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)裝置。原子能院與內(nèi)蒙古烏海蘭太實(shí)業(yè)(9.21,0.00,0.00%)公司達(dá)成院企聯(lián)合生產(chǎn)核級鈉的協(xié)議，并且共同建造了核級鈉廠。2008年5月，300多噸核級鈉全部運(yùn)抵快堆現(xiàn)場。這不但實(shí)現(xiàn)了核級鈉從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模向工業(yè)規(guī)模的跨越，也推動了院企強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)。

未來：2020可商用

實(shí)驗(yàn)快堆臨界后，原子能院只能享受片刻成功的喜悅，又將目光聚焦在下一步并網(wǎng)發(fā)電上。按照中核集團(tuán)的規(guī)劃，中國快堆發(fā)展擬采取3步走的發(fā)展戰(zhàn)略：實(shí)驗(yàn)快堆—示范快堆—大型商用快堆，目前已經(jīng)完成第1步。

張東輝在接受《中國投資》采訪時(shí)首次披露，快堆工程部已與華北電網(wǎng)達(dá)成協(xié)議，將于2011年6月30日前并網(wǎng)發(fā)電?！爱?dāng)然，以目前實(shí)驗(yàn)快堆的體量，此次并網(wǎng)發(fā)電研究意義大于實(shí)際經(jīng)濟(jì)價(jià)值”，張東輝坦承，并網(wǎng)的目的是在于通過收集數(shù)據(jù)，力求對在實(shí)驗(yàn)快堆上預(yù)演商用后有可能出現(xiàn)的各種問題予以解決。畢竟目前實(shí)驗(yàn)快堆在運(yùn)行中如果出現(xiàn)問題，可以隨時(shí)“叫停”進(jìn)行檢測維修，但一旦商業(yè)化則沒有這樣的空間，因?yàn)閷τ谝粋€(gè)發(fā)電站而言，“停產(chǎn)一天都將帶來數(shù)百萬以上的損失”。

據(jù)張東輝介紹，我國下一步建設(shè)的示范快堆，與目前的實(shí)驗(yàn)快堆相比，在功率、體量上有很大的變化，在技術(shù)上也需要有突破。

例如，實(shí)驗(yàn)快堆是以高濃二氧化鈾為燃料，而為了實(shí)現(xiàn)核燃料增值，還需要在示范快堆中進(jìn)一步研制鈾和钚的混合燃料。在技術(shù)開發(fā)上，還需要加大對實(shí)驗(yàn)設(shè)施的投入。另外，還要通過示范項(xiàng)目將現(xiàn)在掌握的技術(shù)進(jìn)行集成，通過示范堆的建設(shè)，對所有的工程問題、經(jīng)濟(jì)性問題進(jìn)行驗(yàn)證，才能過渡到商用快堆，最終實(shí)現(xiàn)大規(guī)模投入運(yùn)行。

“預(yù)計(jì)每10年完成一個(gè)階段，即2020年完成自主技術(shù)示范項(xiàng)目，2030年之前完成商業(yè)化項(xiàng)目”，張東輝表示。

“和已經(jīng)在國內(nèi)成功應(yīng)用了數(shù)10年的壓水堆不同，對于快堆，從設(shè)計(jì)到制造再到運(yùn)營，我國都是‘零經(jīng)驗(yàn)’”。張東輝透露道，“現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)快堆成功臨界，那么示范性質(zhì)的商用快堆也有希望建起來。在首個(gè)示范性商用快堆穩(wěn)定運(yùn)行一年左右之后，其他商用快堆便可完全照搬其技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模建設(shè)，之后就是不斷地復(fù)制而已，從1個(gè)到10個(gè)，甚至到100個(gè)，都沒有問題”。

記者在采訪中也了解到，目前國家層面的計(jì)劃是在2050年實(shí)現(xiàn)100座以上商用快堆的建設(shè)，數(shù)目之眾足見國家推廣決心之大。

此刻，當(dāng)中國成為繼美、俄、法等國之后，世界上第8個(gè)擁有快堆技術(shù)的國家，我們拭目以待核電新時(shí)代的到來。

何謂快堆

“快堆”是快中子反應(yīng)堆的簡稱?？於雅c秦山核電站、大亞灣核電站用的壓水堆一樣都是核裂變反應(yīng)堆。在這種反應(yīng)堆中為了保持引起裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的中子主要是快中子，裂變出來的新的中子不能受到過分的慢化?？於岩媒饘兮c做冷卻劑，將核裂變熱能載帶出來，最終將水加熱成過熱蒸汽，像火電站一樣推動汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。