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中國的鈉冷快堆發展影響深遠
2024/04/14 10:16
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中國的鈉冷快堆發展影響深遠

 

一、為何要發展快堆 

   依據澎湃新聞報導,中國快堆之父徐銤院士說中國需要快堆,要建造世界最安全的核電站。發展增殖快堆的國家將在核能運用中獲取巨大利益。快堆的第一個特點是它能增殖易裂變核燃料,天然鈾中只有鈾-235才可裂變,但它在鈾礦中的豐度只有0.7%,而不能裂變的鈾-238卻佔比99.2%以上。在快堆中,核燃料是鈽和鈾-238,鈽裂變釋放的快中子會被裝在反應區周圍的鈾-238吸收,又變成可能裂變的鈽,且生成的鈽比消耗掉的還要多,裂變反應就此循環持續下去,快堆也因此稱為快中子增殖反應器。在快堆的閉式燃料循環系統下,鈾資源的利用率從壓水堆的1%提高到60%以上。由於利用率的提高,更貧的鈾礦也值得開採,就能保證核電能長期應用。快堆的第二個特點是可把目前熱堆產生的高放長壽命次錒系廢棄物燒掉,放出熱能發電。且壓水堆用過後的燃料中長壽命裂變產物如碘-129和礙-99等還可以在快堆中嬗變掉,變成一般的短壽命裂變產物。所以快堆可使高放射性廢棄物減少。之前的壓水堆核電廠乏燃料裡的鈽和錒系元素(MA)要存放30-400萬年,才能達到與天然鈾同等的低放射量。而快堆的一般裂變產物,只要300-400年,就能與天然鈾的放射量一樣低,大幅降低了其貯存的風險和成本。 

   快堆可提高鈾資源利用率60倍,透過建立快堆核能系統,實施閉式燃料循環,可以實現鈾資源循環利用,將鈾資源利用率從不到1%提高到60%左右。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。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。快堆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,需要大量的實驗,尤其是材料和設計問題,需要專門的實驗裝置進行研究。中國電力規劃設計總院高級顧問謝秋野指出,核電是未來電力系統的主要基荷電源之一,是電力系統實現近零排放戰略選擇。從脫碳需求及電力裝置電量平衡角度來看,核電有較大發展空間,2060年核能發電量佔比需要達到20%以上才能實現碳中和目標。中核集團在兩會中建議發展快堆及小堆是重點方向。 

二、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。中國快堆發展的三步驟是2011年前建立中國實驗快堆(CEFR),進行科學驗證、開展燃料及材料研究並培養累積經驗和人才。2023年前建立中國示範實堆(CFR600),實現工業製造示範、驗證經濟性、建立快堆標準規範及累積快堆發電站經驗。2030年前建立中國商業運轉快堆(CFR 1000),實現商業推廣、大規模增殖核燃料並大規模發展為主力發電站。商業快堆又分為兩小步,第一步採用MOX燃料的CFR 1000型號,第二步採用金屬燃料的CFR 1000型號,一體化快堆是CFR 1000的高級版,由快堆及配套的燃料再生設施組成,在同一廠址或地區建設,反應堆能同時實現發電、增殖及嬗變功能。著眼於安全性及經濟性考慮,中國快堆選擇了鈉-鈉-水三迴路的池式鈉冷快堆。中國實驗快堆(CEFR)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。中國實驗快堆於1995年立項,1998年開工建設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CFR600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。預計中國將於“十四五”期間建成示範快堆,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。 

三、快堆的未來 

   經過數十年工程技術累積,中國已形成完整的快堆產業鏈,包括研發、設計、建造及運維的全產業鏈,以及材料、部件及整機的全製造鏈。CEFR設備國產化為70%,而CFR600設備國產化已達99.87%,中國已掌握核心技術具有100%的自主知識產權。從中國快堆後發優勢上看,快堆安全性方面必然優於最早發展的俄羅斯快堆。中國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。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。快堆可空氣冷卻不需要水,不須建在河海水源旁,可在內陸或沙漠興建,安全性高且不須要緊急計畫。通過與風力及太陽能發電的互補,可形成穩定大規模化的清潔能源基地。尤其若建在地廣人稀的中國西北區域可消除人們疑慮。快堆的可增殖核燃料、高效率焚燒長壽命放射性廢棄物的特性,使得快堆-壓水堆二元核能體系可實現核能大規模運用及持續發展。利用壓水堆的乏燃料及貧鈾可實施快堆裝機運轉及燃料增殖。快堆的燃料增殖可支撐壓水堆更長時間的運轉。

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