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摘 要： 摘要：快堆作為第四代先進核能系統(tǒng)中最重要的反應堆型，有望顯著提高鈾資源利用率和減少核廢物量，快堆及與其密切相關的核燃料循環(huán)和金屬燃料技術越來越受到人們的廣泛關注.本文綜述了快堆(特別是行波堆)、核燃料循環(huán)及金屬燃料技術的研究進展，重點介紹了美
摘要：快堆作為第四代先進核能系統(tǒng)中最重要的反應堆型，有望顯著提高鈾資源利用率和減少核廢物量，快堆及與其密切相關的核燃料循環(huán)和金屬燃料技術越來越受到人們的廣泛關注.本文綜述了快堆(特別是行波堆)、核燃料循環(huán)及金屬燃料技術的研究進展，重點介紹了美國的行波堆和金屬燃料技術，并闡述了行波堆初期采用“一次通過式”簡化燃料循環(huán)對于快堆早日實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化的重要意義.
關鍵詞：核能;核燃料循環(huán);快堆;行波堆;金屬燃料
在當前的商業(yè)輕水堆中，天然鈾資源的利用率不到1%，儲存在大量貧鈾和乏燃料中的巨大能量可以成為一種寶貴的資源，但遺憾的是這種資源仍未開發(fā)利用甚至經(jīng)常被當作廢物對待.從核能開發(fā)早期形成的核燃料循環(huán)仍是一個非常復雜、昂貴、耗時的過程，其發(fā)展戰(zhàn)略和路徑已經(jīng)過時.雖然出現(xiàn)了一些具體改進方案，但還是難以大規(guī)模實現(xiàn)推廣.
行波堆通過優(yōu)化堆芯中子經(jīng)濟性并提高燃料燃耗，具備變成開式燃料循環(huán)快堆的潛力，可以大幅簡化傳統(tǒng)燃料循環(huán).該技術使核能發(fā)電在后處理經(jīng)濟可行前即可提高資源利用率，這是一個極好的從創(chuàng)新概念變成顛覆性技術的范例.金屬燃料是發(fā)展行波堆和先進快堆的核心技術，快堆燃料將從現(xiàn)有的氧化物，逐步改為混合氧化物，最終過渡到增殖和安全性能最高的金屬燃料.目前的金屬燃料離行波堆實現(xiàn)足夠潛能的要求還有一定差距.
在本文中，我們綜述了國內(nèi)外專家對快堆(特別是行波堆)核燃料循環(huán)與金屬燃料的相關研究和評論，重點介紹了核能與核燃料循環(huán)中的一些創(chuàng)新概念，并加入了作者的解讀和展望，旨在與讀者分享和切磋.
1快堆與行波堆
1.1快堆
快中子反應堆(簡稱快堆)是以(高能)快中子引起核裂變鏈式反應的反應堆.快堆是第四代先進核能系統(tǒng)中最重要的反應堆型.快堆運行時，一方面消耗易裂變?nèi)剂先玮?35(U-235)，另一方面又產(chǎn)生新的易裂變?nèi)剂先珙?39(Pu-239).當產(chǎn)生的易裂變?nèi)剂隙嘤谙牡囊琢炎內(nèi)剂蠒r，易裂變?nèi)剂暇偷玫搅嗽鲋�，這類快堆稱為快中子增殖反應堆，其轉(zhuǎn)換比大于1[1-2]
.快堆與輕水堆(熱堆)的一個主要區(qū)別是：輕水堆消耗的核燃料主要是U-235，而快堆消耗的核燃料主要是從U-238轉(zhuǎn)變而來的Pu-239.天然鈾中，易裂變的U-235只占約0.7%，豐度非常低，而不易裂變的U-238占到99.2%以上.目前，輕水堆對鈾資源的利用率只有約1%或更低，而快堆可以將利用率提高30～60倍[1-3].
發(fā)展快堆主要有兩方面的重要意義：一是提高鈾資源的利用率，保證鈾資源的長期穩(wěn)定供應，二是可以焚燒和嬗變輕水堆乏燃料中的長壽命高放射性廢物，減少核廢物量[1].全世界快堆已有350多堆年運行史，快堆燃耗達到130GW·d/t，熱電轉(zhuǎn)化效率達43%～45%.世界上許多國家已有快堆發(fā)展戰(zhàn)略，快堆相關研發(fā)已經(jīng)很深入[4].
1.2行波堆
行波堆(如圖1)不同于傳統(tǒng)快堆.行波堆通過對異質(zhì)堆芯燃料的巧妙分布和運行控制，核燃料從一端低濃縮鈾啟動源點燃，多余的裂變中子將旁邊不易裂變的U-238轉(zhuǎn)換成易裂變的Pu-239，當達到一定濃度時形成自持裂變反應，同時開始焚燒已在原位生成的燃料，形成行波.行波以增殖波前行、焚燒波后續(xù)的方式在燃料中以每年幾厘米的速度自持傳播，一次裝料可以連續(xù)運行數(shù)十年.形象地說，行波堆像蠟燭，用火柴點燃后漸漸燒盡，并可以自身點燃其他蠟燭.行波堆技術可將鈾資源利用率提高一個數(shù)量級，廢物量減少一個數(shù)量級，并使核燃料循環(huán)大大簡化.行波堆是可以首先在開路燃料循環(huán)中用低濃鈾啟動的快堆[4].(a)行波堆模型圖;(b)行波堆運行40年后堆芯增殖焚燒區(qū);(c)行波堆運行40年后堆芯不同軸向位置的增殖焚燒速度.圖1行波堆Fig.1Travelingwavereacto
行波堆應用無需大規(guī)模燃料后處理和長期儲備r钚，只需初期使用低濃縮鈾點燃即可無限期使用天然鈾、貧鈾或輕水堆乏燃料，變廢為寶，實現(xiàn)“核燃料一次性實時原位增殖焚燒”，簡化復雜昂貴的核燃料循環(huán)，并且降低核擴散風險.行波堆可以大規(guī)模在全球推廣應用，充分實現(xiàn)核能成為化石燃料后時代清潔無碳排主流一次能源的巨大潛力.行波堆的開發(fā)成功將對世界范圍內(nèi)的核能發(fā)展，甚至全球能源政策和氣候變化應對策略，產(chǎn)生劃時代的推動和促進作用，意義深遠.
2核燃料循環(huán)
2.1核燃料循環(huán)概念
核燃料循環(huán)是人類應用核裂變能的基礎.核燃料循環(huán)指從鈾礦開采(對于鈾/钚燃料循環(huán))到核廢物最終處置的一系列工業(yè)生產(chǎn)過程.回收的核燃料可以在熱堆中循環(huán)，也可以在快堆中循環(huán)，統(tǒng)稱“閉式”核燃料循環(huán).如果乏燃料不進行后處理而直接處置，則稱為“一次通過式”核燃料循環(huán).基于“一次通過式”和“閉式”核燃料循環(huán)的概念，目前主要有3種核燃料循環(huán)方案：1)輕水堆“一次通過式”核燃料循環(huán);2)輕水堆“部分閉式”核燃料循環(huán);3)快堆輕水堆聯(lián)合“閉式”核燃料循環(huán)[5].
相關期刊推薦：《廈門大學學報(自然科學版)》JournalofXiamenUniversity(NaturalScience)(雙月刊)于1931年創(chuàng)刊，是國內(nèi)外公開發(fā)行的綜合性學術期刊(雙月刊)，主要刊載數(shù)學，物理學，計算機與信息工程，技術科學，化學，化工，海洋學，環(huán)境科學，生命科學等學科的研究成果。
在目前廣泛應用的熱堆核電廠的核燃料循環(huán)模式下，采用“一次通過式”核燃料循環(huán)，天然鈾資源的利用率約為0.6%;如果采用一次“閉式”核燃料循環(huán)，天然鈾資源的利用率可以達到約1%.在快中子增殖堆核電廠的“閉式”核燃料循環(huán)模式下，一般認為可使鈾資源的利用率提高50～60倍，國際原子能機構(IAEA)給出的數(shù)據(jù)為30倍左右.從可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，為了充分利用鈾資源和減少核廢物體積及其放射性，從“閉式”核燃料循環(huán)起步可能是必由之路[5]，除非開發(fā)出具有創(chuàng)新性的先進核能系統(tǒng)，比如行波堆.
2.2核燃料循環(huán)方案[6-7]
2.2.1輕水堆“一次通過式“燃料循環(huán)
輕水堆“一次通過式”核燃料循環(huán)，是目前最簡單、最經(jīng)濟的核燃料循環(huán).該循環(huán)分為6個主要步驟：鈾礦開采、鈾轉(zhuǎn)化與濃縮、燃料制造、輕水堆、乏燃料儲存、廢物處置(圖2第1行).輕水堆“一次通過式”燃料循環(huán)(第1行);輕水堆部分“閉式”燃料循環(huán)(第1、2行);快堆輕水堆聯(lián)合“閉式”燃料循環(huán)(第1～3行).圖2核燃料循環(huán)方案Fig.2Nuclearfuelcyclealternatives
2.2.2輕水堆部分“閉式”燃料循環(huán)
輕水堆乏燃料經(jīng)過后處理，提取出鈾和钚，并將回收的鈾和钚制造成新燃料，最后將合成的燃料送進輕水堆中焚燒.在進行處理之前，需要將高放廢物(HLW)儲存幾十年以降低其放射性和放射性衰變熱.輕水堆乏燃料的回收利用會改變钚的同位素，這樣的乏燃料只能回收一兩次.許多國家都在回收輕水堆乏燃料.上述過程稱為輕水堆部分“閉式”核燃料循環(huán)(圖2第1、2行).
2.2.3快堆輕水堆聯(lián)合“閉式”燃料循環(huán)
快堆能夠通過中子吸收將可裂變材料U-238轉(zhuǎn)化為易裂變材料Pu-239.這樣，輕水堆鈾濃縮設施中產(chǎn)生的貧鈾、輕水堆乏燃料的鈾和钚都有可能得到充分利用.多次循環(huán)的快堆對鈾資源的利用率可以達到輕水堆的60倍.然而，快堆的啟動需要大量的易裂變?nèi)剂?傳統(tǒng)的方法是對輕水堆乏燃料進行后處理，再利用回收的钚來制造快堆燃料.輕水堆運行30年后，其乏燃料中回收的钚足夠啟動一個高轉(zhuǎn)換比的快堆.快堆在啟動和運行后，其乏燃料經(jīng)過后處理繼續(xù)回收鈾和钚;并用回收的鈾和钚以及選配的貧鈾來制造新的快堆燃料組件，直至形成無法再循環(huán)利用的廢物.
對快堆輕水堆聯(lián)合“閉式”燃料循環(huán)(圖2第1～3行)的分析可包括3類不同作用的快堆：1)用作消耗錒系元素，如轉(zhuǎn)換比為0.75;2)用作自持式核燃料循環(huán)，如轉(zhuǎn)換比為1.0;3)作為快堆增殖裂變?nèi)剂�，如轉(zhuǎn)換比為1.23，并且用過量的超鈾元素來啟動更多的快堆.
2.2.4行波堆“一次通過式”燃料循環(huán)(可持續(xù)快堆)
從傳統(tǒng)上來說，可持續(xù)核能的要求是具備一個燃料后處理和再循環(huán)的“閉式”燃料循環(huán).然而，幾十年來有很多人提議，采用“一次通過式”燃料循環(huán)發(fā)展可持續(xù)快堆，如行波堆，該設計是先用低濃縮鈾、钚或其他輔助中子源啟動反應堆堆芯，再更換為天然鈾或貧鈾繼續(xù)焚燒，鈾的利用率可以比現(xiàn)有的輕水堆高數(shù)倍到一個數(shù)量級.
這種堆型有幾個潛在優(yōu)點：1)核燃料循環(huán)簡單且成本低;2)行波堆啟動后可以直接使用貧鈾或天然鈾為燃料，甚至可以用部分燃料再啟動其他行波堆;3)行波堆體系不需要長期擁有濃縮鈾(啟動反應堆堆芯除外)及濃縮設施.
2.3核燃料循環(huán)與快堆[4]
2.3.1傳統(tǒng)快堆與“閉式”燃料循環(huán)的相互依賴
傳統(tǒng)快堆需要高濃鈾或钚啟動，并借助后處理設施循環(huán)利用，這需要原料儲備和后處理設施.商業(yè)化后處理設施的目的是為了提高規(guī)模經(jīng)濟效益，降低單位成本，但往往需要上千億人民幣的資金投入和十幾年的時間建設.在快堆商業(yè)化前，商業(yè)化后處理設施投資回報率極低，長期建運所需的大量資金難以獲得.法國、英國、日本、俄羅斯、印度、美國都建有后處理設施.除法國外，其他國家的后處理廠都沒有實現(xiàn)真正意義上的商業(yè)化運行，而且基本是小型后處理廠，一些已經(jīng)被關停，一些甚至根本沒有運行過;中國近期已自主建設成功小型中試后處理廠，正在和法國談判引進后處理大廠.與之對應的是，超過350堆年的快堆技術尚未實現(xiàn)商業(yè)化.傳統(tǒng)快堆與“閉式”燃料循環(huán)相互依賴，限制了未來可持續(xù)核能系統(tǒng)的發(fā)展.在核燃料循環(huán)后端，高放廢物處置方案和技術一直懸而未決，嚴重制約了核電的安全高效發(fā)展，從而對快堆的需求預期減低，這是一個更大的兩難問題.
2.3.2行波堆去傳統(tǒng)快堆與“閉式”燃料循環(huán)的耦合
當今世界的可持續(xù)發(fā)展需要大規(guī)模的清潔能源，核能是目前的最佳候選能源之一，但它面臨著因上述兩難問題造成的僵局.打破僵局的關鍵是暫時弱化甚至切斷快堆與“閉式”燃料循環(huán)的耦合，先開發(fā)基于“一次通過式”燃料循環(huán)的可持續(xù)快堆(如行波堆)，發(fā)展部署快堆發(fā)電創(chuàng)造價值，解決清潔低碳能源供應問題，同時為后續(xù)完善燃料循環(huán)贏得時間和積累技術及資金，這種發(fā)展模式具有重大的現(xiàn)實和戰(zhàn)略意義
.3行波堆開發(fā)
3.1行波堆開發(fā)示范挑戰(zhàn)和展望
美國泰拉能源公司(TerraPower)(簡稱泰拉能源)由微軟創(chuàng)始人比爾·蓋茨先生創(chuàng)投，集全美核能精英開發(fā)行波堆技術，計劃在中國建設示范堆.泰拉能源的行波堆設計采取池式鈉冷快堆的技術路線和許多實施方案.這和已經(jīng)臨界并網(wǎng)運行的中國實驗快堆采用的技術路線相近，也是計劃中即將建設的商業(yè)化示范快堆的技術路線.行波堆技術發(fā)展實現(xiàn)的主要挑戰(zhàn)在燃料、材料、長壽命堆芯的工程化設計及克服燃料變化對反應堆穩(wěn)定性的影響等方面.
為最大程度利用快堆的增殖功能實現(xiàn)行波式裂變，泰拉能源的行波堆設計采用金屬燃料，不同于現(xiàn)有輕水堆和常規(guī)快堆使用的氧化物陶瓷燃料.金屬燃料是目前世界上多數(shù)快堆路線中計劃發(fā)展達到的高性能燃料，據(jù)此設計的快堆具有較好的安全性.為能夠在行波堆內(nèi)對貧鈾和天然鈾等完成足夠的增殖，其燃料燃燒需要達到的燃耗深度高于常規(guī)快堆設計標準.
與高燃耗燃料需求的挑戰(zhàn)相對應，燃料包殼和堆芯構件需要在高通量的中子輻照下長期保持熱物理力學性能和結構尺寸的穩(wěn)定性.如果采用不換料設計，包殼的輻照劑量需要達到常規(guī)快堆設計指標的數(shù)倍.開發(fā)測試高抗輻照材料是非常關鍵的技術開發(fā)任務.隨著行波堆增殖焚燒性能的提高和長壽命的運行，燃料組分和性能的不斷變化為反應性的穩(wěn)定和控制帶來一定的挑戰(zhàn).行波堆設計的初裝燃料為低濃鈾和貧鈾，在增殖焚燒過程中產(chǎn)生钚和其他可裂變元素及裂變產(chǎn)物，并且不斷改變在堆芯中的分布，會導致反應性的變化.這個問題有待充分的設計改進和優(yōu)化來解決，并需要通過嚴格的安全分析和認證.
在行波堆的設計過程中，泰拉能源發(fā)現(xiàn)為了能降低燃料包殼的輻照劑量，在無需換料條件下盡快實現(xiàn)增殖-焚燒的行波，必須設法控制燃耗的峰值和平均值.因此在示范堆和第一代商業(yè)堆的設計中，采用了較低的燃耗.這個設計燃耗深度遠低于由行波堆中子物理特性決定的限度，但已經(jīng)遠超輕水堆和常規(guī)快堆、增殖堆的燃耗設計限度，達到較高的資源利用率.由于行波堆良好的中子經(jīng)濟性，第一代行波堆的乏燃料只需置換包殼后即可直接再度使用，加深燃耗，進一步提高資源利用率.置換包殼，包括可能需要的燃料鑄錠.這是個技術挑戰(zhàn)，但基本上是物理機械過程，無需化學分離萃取，相對簡單易行，且有較高的防核擴散性.通過這種途徑，行波堆增殖產(chǎn)生的燃料還可以被取出用來啟動新一代行波堆，無需再用濃縮鈾啟動源.到燃料被消耗到超過可以簡單處理的限度時，如果認為燃料利用率還需提高，或需要把乏燃料的放射性壽命大幅度降低，那么可以用后處理方法來提取裂變材料供繼續(xù)使用(如回到行波堆)，或進入焚燒堆或加速器驅(qū)動系統(tǒng)(ADS)進行嬗變處理.這個期限已被推后很多年，并且需要處理的量也少于現(xiàn)有方法和體系.
泰拉能源已制定了行波堆示范電站建設的時間表，并計劃首先在中國示范.行波堆技術的合作開發(fā)示范將帶來大量寶貴的技術和經(jīng)驗，可以有效支持中國既有的快堆與燃料循環(huán)體系開發(fā)和示范，并從中得到相應的反饋和支持.這種多贏的協(xié)同發(fā)展將揭開核能技術發(fā)展史上的一個創(chuàng)新篇章，具有重大價值和深遠意義，值得我們共同期待、關注、支持和投入.——論文作者：郭奇勛*，李寧
