快中子反應堆發展前景

一、為何要發展快堆  

   地球上的鈾資源有限，發展快堆可提高鈾資源利用率60倍，透過建立快堆實施閉式燃料循環，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。快堆的第一個特點是它能增殖裂變核燃料，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。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。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，所以快堆可使高放射性廢棄物減少。 

二、俄羅斯的快堆發展 

   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，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。BN-800快堆於1983年開始建造，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。2020年1月，BN-800開始裝載MOX（鈾钚混合燃料）運轉。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。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。 

   接著俄羅斯又開發BN-1200M快堆，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。俄羅斯已積累了大約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。在別洛亞爾斯克核電站建設BN-1200M反應堆裝置的費用估計為5000億盧布。別洛亞爾斯克核電站主任伊萬·西多羅夫在烏拉爾資訊中心塔斯社舉行的新聞發佈會上宣佈了這一消息。西多羅夫稱配備 BN-1200M 反應堆的動力裝置計劃建造為斯維爾德洛夫斯克地區別洛亞爾斯克核電站的 5 號機組; 它將成為雙元件核能系統的主要運行模型。 BN-1200M動力裝置的壽命為60~80年。BN-1200M 的結構材料和燃料的論證是利用 BN-600 的工作進行的。BN-1200M將確保核燃料迴圈閉合，以充分利用能源潛力; 使用基於鈾和鈈混合物的氧化物和氮化物燃料的可能性; 小錙系元素「后燃燒」的可能性 - 高放廢物; 生產用於醫藥和工業的同位素的可能性。 

三、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。 

四、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。