一、 發展快堆技術的重大意義
發展快堆主要有兩大優勢:一是增殖核燃料,它可將天然鈾中99%以上在壓水堆中不能利用的鈾-238轉化成易裂變燃料钚-239供壓水堆和快堆使用,將鈾資源利用率提高到60%以上,解除核燃料供應不足的后顧之憂。二是焚燒長壽命放射性核素,快堆既可利用壓水堆乏燃料中的反應堆钚生產電能,又可將乏燃料中的長壽命放射性核素燒掉并轉化成電能,變廢為寶,將放射性危害減至最小。顯然,快堆具有“節約高效”和“清潔環?!钡奶攸c,它與壓水堆匹配發展,形成閉式燃料循環系統,可以有效實現核能的可持續發展,符合我國建設資源節約型和環境友好型社會的發展要求。因此,我國核能發展戰略是熱中子反應堆(壓水堆)—快中子反應堆(快堆)—聚變反應堆“三步走”。
快堆是繼壓水堆之后發展起來的先進核電堆型,是第四代核電技術的主力堆型。2000年以來以美國為首提出的第四代先進核能系統的6種堆型中有3種是快堆,其中最成熟的是鈉冷快堆,就是中國實驗快堆這種類型。
二、 中國實驗快堆項目概況
上世紀60年代中期,我國的快堆研究起步。我院開始在快堆物理、熱工、結構材料和鈉工藝等方面開展了一些基礎研究,并建成了一批小型實驗裝置。其中,最具有代表性的研究成果是1969年由周恩來總理特批50公斤高濃鈾建成的“東風-6號”零功率實驗裝置,實現了我國快堆技術發展“零”的突破。進入80年代,改革開放的春風給我國的高科技發展帶來了勃勃生機。1986年3月,鄧小平同志對我院王淦昌院士等四位科學家提出的關于我國應跟蹤世界高技術前沿的建議信函做出重要批示,從而催生了“863”高技術研究發展計劃。經來自全國煤炭、石油、水力、核能、電力、礦產等各領域幾百位專家的充分論證,快堆項目脫穎而出,被列入“863”計劃能源反應堆主題項目。我院就此開始了針對設計和建造中國實驗快堆的前期技術研究。1992年3月,該項目被列為“863”計劃能源領域發展計劃中的重點項目。1995年12月,由國家計委和國家科委聯合批準工程立項。1997年8月,被國家科委批準為“863”計劃重大項目。2006年,快堆作為前沿技術列入國家中長期科技發展規劃。2007年12月,國家科技部和國防科工委聯合批復,確定了中國實驗快堆工程“十一五”的建設目標及項目經費和工程投資。國家科技部、國防科工局和中核集團公司三家共同出資,總經費25.03億元。
中國實驗快堆,熱功率65MW,實驗發電功率20MW,采用堆本體池式結構,首爐使用UO2燃料并最終過渡到MOX燃料,液態金屬鈉做冷卻劑,熱傳輸系統采用鈉、鈉、水三回路系統,并在世界上首次實現了完全靠設置在一回路的非能動事故余熱排出系統排出事故工況下的余熱。該技術方案符合世界快堆發展趨勢,主要參數和系統設置接近商用快堆,具備了大部分原型快堆的一些結構特點,適宜于向下一步商用快堆電站跨越。中國實驗快堆還采用了負反饋設計、非能動安全系統等前瞻性安全設計,以保證環境和公眾的絕對安全,其安全特性指標已達到第四代先進核能系統的要求。
中國實驗快堆工程在完成前期研究后,1997年11月初步設計得到國家科委批準,1998年10月開始主廠房負挖,2000年5月取得國家核安全局頒發建造許可證并于5月30日開工,2002年8月了實現了反應堆主廠房封頂,2005年8月堆容器首批部件吊入反應堆大廳開始堆本體安裝,2008年12月完成全部安裝并開始調試,2009年8月完成了裝料前的全部準備工作并于9月取得國家核安全局頒發的裝料許可證,2010年6月5日開始裝料。今天達到了首次臨界,目前堆芯共裝載燃料組件72根。
中國實驗快堆是一個全新的重大科學工程,其規模已接近核電站。從技術上講,不但涉及研究、設計、土建、安裝、設備制造、調試、運行、核安全、環境評價、核工程管理等多方面技術,也是集核科學、材料、機械、電子、計算機、信息、化工、電力等工業技術于一體的綜合性項目。設計起點高,技術難度大,接口復雜。從工程量講,全廠共有16個建筑子項,建筑面積近5萬平方米,系統200多個,設備7000多臺套;工程共澆筑混凝土11萬立方米,使用鋼筋2.3萬噸,安裝管道90公里,敷設電纜1100公里;共完成設計文件5000多冊,調試技術文件約600冊、運行維保規程約600冊、各類研究報告約1200個,開展設計驗證近60項,調試試驗1000多項,合同總數達1600多個。
三、項目實施取得的主要成果
按照國家文件批復,要在“十一五”末建成我國第一座快堆,取得快堆技術上的突破,實現“建立裝置,掌握技術,培養人才,開展實驗”的建堆目標。
以此為目標,我院作為快堆研發的歸口組織單位和主要研發任務的承擔單位,作為中國實驗快堆工程設計總包和核島主工藝設計者,作為工程建設業主和建成后的運營單位,20多年以來,組織國內數百家高校、研究、設計、設備制造和建筑安裝施工單位,包括中核集團公司下屬的多家單位和國內多家知名的核電企業,參與了工程的研究、設計和建造。中國實驗快堆建成,既是全體參建單位艱苦奮斗、團結拼搏、大力協同的結果,也是一個以我為主、自主創新、聯合攻關的過程。通過項目實施,我們在實驗設施、技術、人才、經驗等方面取得了豐碩的成果。主要體現在以下幾個方面:
1、技術能力得到重大突破。通過項目實施,我國目前已經掌握快堆絕大部分核心技術。建立了一套快堆標準規范體系,開發出了一套用于鈉冷快堆設計和安全評價的軟件庫,形成了可開展快堆物理、熱工、力學、安全、材料、燃料、設備等方面研究的幾十套實驗裝置。通過中國實驗快堆的自主設計和建造,我國已形成實驗快堆規模的快堆設計、建造、調試和運行能力,這為下一步商用快堆電站的開發奠定了堅實的基礎。
2、研產結合促進了產業技術進步。通過與全國多家企業聯合攻關,實驗快堆設備國產化率達到70%。其中包括我院與中國第一重型機械集團聯合研制的反應堆關鍵設備——堆容器與旋塞,與蘭太實業公司聯合生產的快堆關鍵材料——核級鈉,與上海電氣集團等企業聯合開發成功的控制系統——全自動換料系統,與中核北京核儀器廠等企業聯合研制出的關鍵安全系統——快堆核測、控制與保護系統,與上海一機床共同研制成功的轉運機、反射層組件和屏蔽組件等。這標志著我國已經形 成基本配套的快堆工業體系。
3、知識產權和人才培養取得雙豐收。通過項目實施,新編標準及技術標準150多個,申報專利165項,獲得專利授權73項,獲得部級以上科技獎51項,預計最終將獲得專利150多項,成果200多項。目前,我院擁有了一支近400人的高水平快堆技術研發團隊,特別是通過研究轉設計、設計轉調試、調試轉運行的技術隊伍一體化組織模式,培養了一批快堆的“全能選手”和業務骨干。以此為基礎,我國有能力跨過原型快堆而直接發展商用快堆電站,實現快堆技術的跨越發展。
四、中國實驗快堆后續研發及設想
中國實驗快堆首次臨界后,接下來將繼續進行控制棒價值測量、反應性反饋測量、裂變率分布測量等第二階段的試驗,在此之后進入提升功率的第三試驗階段,計劃2011年上半年并網發電。
中國實驗快堆,為我國核能技術開發提供了一個新的研發平臺。建成后的中國實驗快堆,將進一步驗證其各項性能,進行安全運行技術研究,積累鈉冷快堆運行經驗;作為我國首座快中子輻照裝置,輻照考驗燃料和材料,突破燃料和材料技術;也作為鈉冷快堆電站的工況環境,考驗實驗堆規模的國產設備,為商用快堆電站設備研制積累經驗。目前,已有國家“863”計劃、國防預研、國防技術基礎、核能開發等多個渠道對下一步的快堆研發工作予以支持。中核集團公司和我院也自籌資金正在開展相關技術研究。因此,建成后的中國實驗快堆,不僅是國內快堆技術研發和核燃料循環技術研發的重要基地,也是快堆國際技術交流的重要平臺。
在“863”計劃中國實驗快堆項目研發的初期,我院就提出了建設快堆研究中心的設想。原國務委員宋健1990年還參加了我院快堆研究中心綜合大樓的奠基儀式,原國務院副總理鄒家華在1992年親筆題寫了“中國快堆研究中心”。國家能源局在2010年1月在我院掛牌成立了“國家能源快堆工程技術研發(實驗)中心”。該中心將以中國實驗快堆為核心,周邊配套物理、熱工、材料、燃料、鈉工藝研究等實驗室,并計劃新建一批新的實驗大樓,依靠我院在快堆研發方面形成的技術和人才基礎,逐步成為國家核能發展戰略研究咨詢中心、國家快堆技術研究中心、國家快堆電站技術支持中心、國家快堆核電裝備制造技術支持中心和國家先進燃料循環體系的技術研發中心。要在國家大力支持下,以“創新技術、培養人才、推進產業化”為目標,通過快堆研發課題和快堆電站技術開發等重大項目的帶動,通過自主創新和國際合作,全面形成我院在快堆研發、設計、建造技術服務和工程承包能力,繼續為我國快堆技術研發、核能可持續發展和核科技創新能力提升做出新的貢獻!
中國實驗快堆項目情況介紹