第四代快堆發展的歷史意義

一、人類對能源的選擇許考慮長久 

    人類的文明是靠能源才能維持及發展，歷史上從最早的鑽木取火到現代科技產生的核能，每個能源都有其歷史價值，人類要進入太空發展就要用核能，像俄烏已戰爭爆發後，各國沒有時間在電力行業的好壞之間做出選擇，人們將很快不得不根據其他標準做出選擇，不是延長以前能源技術的壽命就是要發展新的能源技術。 

(一)甚麼是環境友好型能源

    人類以認知應限制碳氫化合物能源的消耗，因為碳氫化合物能源燃燒用於生產或運輸是造成溫室效應的主要原因。因此，在未來幾十年，向環境友好型能源過渡是不可避免的。在過去20年裡，用電需求漲一倍，到2050年可能會漲兩倍。如果80%的能源生產都是以化石燃料為基礎，那麼不太可能有好果子吃。俄羅斯原子能公司(Rosatom)已採用“戰略2018”，根據該戰略，基於封閉核燃料循環(NFC)的快堆將成為能源安全和環境安全的基礎。此外，俄羅斯外交部已確定，應對氣候變化的主要工具是核能，它將取代碳氫化合物，以及配合森林吸收更多二氧化碳的林業項目。2000年，俄羅斯總統普京在聯合國首腦會議上發表講話，提請注意人類的可持續發展問題，這些可以依賴基於新能源技術平台的核能。今天，這一方向上，俄羅斯和中國的研究和開發及其實際實施方面取得了重大進展。 

(二)能源比較

   俄羅斯VVER反應堆產生的乏燃料可用於快堆，最近能源供應已成為歐洲媒體和互聯網上嚴肅討論的話題。討論內容包括天然氣價格、煤炭供應、制裁和推遲北溪2號天然氣管道，以及太陽能和風能無法滿足歐洲的能源需求。與此同時，核能仍然被依些人認為是危險的，而從不擴散核武器的角度來看，基於封閉NFC的快堆被視為不可接受的，因為人們擔心鈽的生產以及這些技術可能造成核子擴散。然而，“危險”和“不可接受”只有在與一些替代品進行比較時才有意義。比較的標準包括能源成本、燃料可用性、環境污染、對公共健康的影響及事故的風險和後果。須考慮社會在選擇一種能源時會得到什麼，會失去什麼。只有經過這樣的比較和考慮，才能接受或拒絕任何能源系統。目前，無論是政治家還是社會學者都沒有關注核能。然而，太陽能和風能在去年冬天未能為歐洲提供能源後，再也無法與傳統發電相比。與核能相比，碳氫能源系統在環境污染和溫室氣體排放方面較為突出，此外也有較高的事故風險，造成重大生命損失。如果核能係統被認為是有害的，那麼其他所有系統都會更糟。在《格拉斯哥氣候公約》(COP26)中，沒有明確提到核能是一種低碳能源。然而，會議期間各國對將核能用作低碳能源越來越感興趣。由現有熱中子堆使用的鈾燃料有限，即使擴大規模也無法解決人類長期能源供應的問題。因此，全球核能結構逐漸變化，最終過渡到基於封閉燃料循環的快中子堆是解決的辦法。 

(三)快堆的優缺點

   無論沸水式或壓水式的輕水熱中子堆，都有一個難解的問題，就是核燃料利用率低。熱堆以鈾235為分裂燃料，但鈾礦中的可分裂鈾235只佔0.7%，其餘99.3%都是不可分裂的鈾238。鈾238因不易發生分裂反應故成為核廢料。於是便產生了快中子堆。快堆利用鈾235裂變所產生的快中子，讓鈾238變成可分裂的鈽239，然後用鈽239作燃料。這樣，鈽239在裂變產生能量的同時，又不斷地將鈾238變成鈽239。所以這種反應堆被稱為 「快速增殖堆」簡稱快滋生。據估算，若快堆被廣泛應用，則鈾礦資源的利用率可從1%提高到60%以上。更為重要的是，核廢料問題得以解決。    快堆是第四代反應堆的首選，代表了第四代核能系統的發展方向。 

(四)快堆建造的困難

1.  堆芯設計：

堆芯設計上的缺陷會直接影響反應堆的安全性。要解決這個問題，需要大量的工程實踐。而工程實踐一是要花費大量資金，二是運行過程中稍有不慎會發生嚴重事故。

2.設備、材料及工程問題

設計缺陷、材料不可靠和操作流程錯誤會導致反應堆出現嚴重事故。而解決這個問題，尤其是材料和設計問題，需要專門的實驗裝置進行研究。而試驗裝置本身，也是一座快堆。

3.冷卻劑鈉的問題

快堆管道內的鈉可能洩露引發火災，蒸汽發生器管道破損可能引發不可控制的鈉水反應，這些都需要試驗研究和改進。

4.燃料完整性問題

快堆運行時，堆芯環境極其惡劣，如何保證燃料的完整性，是一個十分複雜的問題。上述每一個問題的解決，不僅需要巨額資金，還需要持續的研究和幾十年運行經驗的積累，更需要控制核事故的經驗和勇氣。 

二、俄羅斯的快堆發展 

(一)發展方向

    上世紀50年代，蘇聯便開始著手研究快堆。蘇聯建造的第一座零功率快堆是BR-1。BR-1實現了2.5的燃料增值比，驗證了快堆在核燃料利用方面的廣闊前景。後又造了BR-2和BR-3快堆，探索快堆技術路線。開始是用水銀作冷卻劑，後來確定了快堆發展的鈉冷堆技術路線。1959年7月，新的快堆BR-5達到滿功率，它是世界上第一台使用鈽氧化物為燃料的反應堆，後BR-10功率提升到10MW。1964年，蘇聯在哈薩克斯坦的曼吉什拉克核電站建成一座BN-350的快堆。這座快堆不僅能為當地提供電能，還配套建設了一座海水淡化系統，每天能淡化海水12萬立方米。蘇聯接著又建造了功率更大的BN-600反應堆，於1981年12月達到滿功率。BN-600快堆運行期間，其平均負荷因子達到了70%，而且其發電成本比當地的化石燃料電廠還要低，證明了快堆的經濟性。目前，BN-600快堆在運行了40多年後依然狀態良好，其運行許可證已經延長至2025年。BN-800快堆於1983年開始建造，在切爾諾貝利核事故和蘇聯解體時停滯，技術人員對其進行了設計改進，並於2006年重新開始建造。BN-800的電功率提升到880MW在2014年首次臨界，2016年2月並網發電，並於當年11月實現商運。2020年1月，BN-800開始裝載MOX（鈾钚混合燃料）運行。快堆的兩大優點即燃料增殖及處理高放射性廢料都已在BN-800上實現。目前，BN-800是世界上最大最先進的商用快堆，建造更大更先進的BN-1200快堆已列入規劃。 

(二)快堆之母BOR-60和BFS-2

   俄羅斯快堆技術領先世界，先進各國都出資和俄羅斯合作研究快堆技術。其中日本為買俄羅斯BN-600快堆的技術支付了10億美元巨款。俄羅斯快堆不僅僅積累了上百多年的快堆運行經驗，而且還有完整的快堆研究和建造體系，俄羅斯的兩座研究型快堆BOR-60和BFS，是俄羅斯快堆研究基礎平台，可以稱它們為“快堆之母”。1969年，俄羅斯建成了研究型快堆BOR-60，不僅可發電還能提供快堆研究環境。它可以測試快堆燃料燃燒時的內部變化，快堆材料的性能，快堆堆芯的結構性能等。上世紀70年代，蘇聯建造了BFS核試驗設施，該設施是一個重要的快堆研究平台。2021年，俄羅斯將該裝置升級為BFS-2。 

(三) BN-800快堆

    BN-800是一座裝機容量約為82萬千瓦的鈉冷快堆，於2016年開始運轉，2020年實現了82%的容量因素，在示範反應堆技術和燃料方面發揮了實驗作用。2020年1月，BN-800快堆裝載了首批18套MOX燃料組件。在2021年2月換料時，BN-800快堆又裝載了160套新的MOX燃料組件，使用的核燃料中有三分之一是MOX燃料。別洛雅爾斯克核電廠4號機組計劃把目前的“混合堆芯”最終變為完全使用MOX燃料，並在運行過程中堆芯內產生新的鈾和鈽燃料。俄羅斯原子能工業公司表示，別洛雅爾斯克核電廠4號機組（BN-800快堆）在運行6年後進行換燃料大修。現在使用的核燃料中有60%是鈾钚混合氧化物（MOX），使用這種“未來燃料”可使資源利用率提高10倍，並且幾乎不產生廢物。 

(四)BN-1200快堆

   俄羅斯目前正在開發的BN-1200M以及已經在建造的BREST-OD-300實驗示範反應堆，由於使用了天然鈾的主要同位素鈾-238，實際上對燃料資源沒有限制。應該指出的是，俄羅斯已經積累了大約100萬噸貧化六氟化鈾，換句話說，接近核純度的U-238，可用於生產快堆燃料。據估計，U-238的量相當於約8·1022 J的能量。相比之下，人類每年產生約6·1020焦耳的能量。這意味著，僅俄羅斯貧化鈾就攜帶著比這一年生產水平高100倍的能源。快堆實際上是“雜食性”的，可以多次使用熱中子反應堆中的钚，即使不將其與鈾和其他微量錒系元素的混合物分離。快堆也將能夠轉化自身的微量錒系元素，以及那些從VVER UNF中分離出來的錒系化合物。這將確保減少放射性廢物的放射性，因為沒有微量錒系元素，所以更容易處理。這在不到200年的時間內將廢物的放射性降低到與天然鈾相當的水平。 

四、中國快堆的發展 

    中國核能發展實行的是“熱堆—快堆—聚變堆”的三步走發展戰略。第三代核電以前的核電技術都是熱堆，快堆是世界各國正在研製的第四代核電站，第四代核電技術有六種設計概念，包括三種快中子堆和三種熱中子堆。這些設計的目的是要達到大幅減少核廢料、更充分利用鈾資源、降低核電站建造和運營成本，以及更好控制核擴散，即保證核技術的和平利用。中國實驗快堆是中國原子能科學研究院自主研發的中國快堆，選址位於北京房山區中國原子能科學研究院內，這一實驗快堆由科技部、國防科工委及核工業集團公司出資興建，中國實驗快堆以鈉為冷卻劑，首次將非能動餘熱導出系統應用於快堆，這在國際上也是首次。中國實驗快堆1995年立項，1998年開工建設。2000年7月18日，中俄快堆合作協議簽訂，2010年7月21日，中國第一座快堆——中國實驗快堆（CEFR）達到首次臨界，成為世界上第8個擁有快堆技術的國家。2014年12月15日17時，中國實驗快堆首次達到100%功率。中國實驗快堆熱設計功率65兆瓦，電功率20兆瓦，是世界上為數不多的大功率、具備發電功能的實驗快堆。中國實驗快堆（CEFR）作為中國快堆發展的第一步，為中國下一步示範快堆的建設、大型快堆電站發展打下基礎。2014年10月，福建霞浦示範快堆工程項目獲准，示範快堆工程採用單機容量60萬千瓦的快中子反應堆，計劃於2023年建成投產。霞浦核電站由兩家不同業主公司在同一廠址，投資建設三種不同堆型的三代、四代核電項目，即由中核霞浦核電有限公司投資建設60萬千瓦快堆示範項目；由華能霞浦核電有限公司投資建設1台60萬千瓦高溫氣冷堆核電機組和4台百萬千瓦級壓水堆機組。在建的福建霞浦核電站項目為CFR600示範快堆1、2號機組，預計中國將於“十四五”期間建成CFR600示範快堆，2030年左右建成百萬千瓦級大型高增殖商用快堆，2035年實現規模化建造。 

   從中國快堆後發優勢上看，快堆安全性方面必然優於俄羅斯快堆。中國自主研製的CFR600示範快堆研製設計時，已將非能動餘熱導出系統應用於快堆，該系統的設計原理是依靠自然對流和自然循環導出餘熱，採用非能動原理，可以保證在全廠斷電、地震、失水三種最嚴重的事故狀態下實現堆芯餘熱導出，從而保證反應堆的相對安全。在中國碳達峰、碳中和的總體目標要求下，在霞浦示範快堆成功建造、正常運營之後，中國必將進一步研製設計安全可行的商用快堆技術。中國興建第四代快中子反應堆並研究核融合，期間隱藏的歷史意義一言難盡。快堆可解決鈾燃料不足問題，被視為中國未來的主要反應堆。據俄羅斯衛星網報導，俄羅斯總統普京訪華時簽署了一系列核能領域合作協議，包括援助中國建造快中子示範反應堆CFR-600，TVEL是俄羅斯Rosatom的核燃料製造子公司，而CNLY是中國國家核公司（CNNC）的一部分，TVEL和CNLY簽署了為中國福建省霞浦縣正在建設的CFR-600鈉冷池式快中子核反應堆提供核燃料的合同。涵蓋了核燃料的初始裝載及在反應堆運行的前七年內的加鈾燃料供應，TVEL總裁表示，除了Rosatom在用於商業快中子反應堆的鈾基燃料製造方面的經驗外，去年還開始批量生產用於俄羅斯BN-800快堆的鈾和-混合氧化物（MOX）燃料，在中國的投資還包括為中國實驗快堆CEFR提供鈾基燃料的合同，並且已經開始交付燃料。