第四代核能系统的六大候选堆型

苏更林

超高温气冷堆具有效率高、安全性好、应用广的特点，是目前世界上主流核电国家竞相开发的核能发电技术。该反应堆是由低温气冷堆发展而来的，以铀作为核燃料，采用石墨慢化、氦气冷却。

用氦气作为冷却剂，利用了氦气化学惰性和热工性能好的优势，堆芯出口氦气温度可达1000℃。超高温意味着更高的发电效率，并且具有广阔的应用前景。超高温气冷堆不仅可用于清洁核能发电，它产生的高温热能还可代替煤炭等燃料，应用于煤的气化、热化学制氢、海水淡化、集中供热等领域，对于实现碳中和具有重要的意义。

据悉，美国、德国等国家一直致力于高温气冷堆核电技术研究。我国石岛湾高温气冷堆核电站示范工程于2021年12月20日送电成功，这是全球首座球床模块式高温气冷堆核电站，也是全球首个并网发电的第四代高温气冷堆核电项目。标志着我国已成为世界核电先进技术的领跑者。

采用模块式设计具有更高的安全性，被人们誉为“不会熔毁的核反应堆”。原来，通过模块式设计可以把一个大型核反应堆拆成若干个小模块，而每个模块都是独立的小型反应堆。要知道，每个模块的功率更小，这样停止工作后产生的余热就少，通过热传导等方式就能轻松导出，因此能防止高温熔毁以及核泄漏事故的发生。

在第四代核能系统候选堆型中，超临界水冷堆是唯一的水冷堆型。所谓超临界水冷堆，说的是系统以超临界水作为冷却介质。水的临界点为374℃和22.1兆帕，因此超临界水冷反应堆是一个高温高压的水冷反应堆。

超临界水冷反应堆的优势显而易见。由于水在超临界状态下兼具液体和气体的性质，因此具有更高的热传导效率。如果运行压力为250个大气压，冷却剂出口温度可高于500℃，因此可以提高热电转换效率，有效节省铀资源。同时，由于超临界水冷堆只存在一种相态，因此可以简化反应堆系统，从而节省建造成本，在经济上具有一定的优势。

专家认为，超临界水冷堆是一种很有前途的先进核能发电技术。超临界水冷堆的主要用途是发电和制氢。从21世纪初开始，美国、日本、加拿大、德国、法国、俄罗斯、韩国等相继开展了该技术的研究开发。

我国对于超临界水冷堆技术的研究启动于2003年。国内多家高校和研究机构参与研究，并提出了具有自主知识产权的中国超临界水冷堆CSR1000总体设计方案。2014年5月，中國正式签署了加入第四代核能系统国际论坛超临界水冷堆系统安排协议。

快中子堆全称为快中子增殖反应堆，简称快堆。它是指由快中子引起链式裂变反应释放热能并转换为电能的反应堆。

快堆的优势之一是核燃料可以增殖。我们知道，在天然铀中铀—235只占0.714%，热中子堆对铀资源的利用率只有1%～2%。快堆可以把丰度在99.2%以上的铀—238有效转化为易裂变的钚—239等，从而实现裂变材料的不断增殖。快堆可把铀资源的利用率提高到60%～70%。

那么，核燃料是如何进行增殖的呢？虽说快堆使用的核燃料为钚—239，但离开了铀—238它也玩不转。钚—239裂变时放出来的快中子，能够被装在外围再生区的铀—238所吸收。铀—238吸收中子之后很快变成钚—239。这样一来，钚—239不断地裂变，产生的快中子又不断地把铀—238变成钚—239。由于再生速度高于消耗速度，所以核燃料钚—239会越用越多，即“增殖”。在这个过程中，名义上是钚—239在裂变释能，实际上消耗的是铀—238。

快堆的优势之二是降低核废物的环境压力。快堆能把长寿命的裂变产物和锕系核素转变为一般的裂变产物，从而可以解决高放核废物问题。

据悉，采用裂变热堆核燃料一次循环的技术路线，世界铀资源只够人类使用数十年；采用快堆铀—钚循环的技术路线，则世界铀资源可供人类使用千年有余。

鉴于快堆的明显优势，使其在第四代核能系统候选堆型中占据了一半的席位（3个快堆）。根据快堆冷却方式的不同，可以分为气冷快堆、钠冷快堆和铅冷快堆。

气冷快堆是一种尚处于研究中的快堆堆型。气冷快堆以氦气等气体作为冷却剂，采用闭式燃料循环。可直接用氦气轮机进行发电，也可以利用热能制氢，还可以把热量应用于其他工业过程。

钠冷快堆是第四代快堆堆型中发展最快，也最接近商业化的快堆，在铀资源有效利用和核废料处置方面具有独特的优势。

钠冷快堆就是以熔融钠或低共熔钠钾合金作为冷却剂，由快中子触发核裂变而维持链式反应的反应堆。根据堆型布置的不同，钠冷快堆可以分为回路式钠冷快堆和池式钠冷快堆。回路式结构就是用管路把各个独立的设备连接成回路系统，这样设备维修起来比较方便，但由于系统复杂，容易发生故障。池式结构采用的是一体化方案，即把堆芯与一回路的钠循环泵、中间热交换器等浸泡在一个液态钠池内。池式结构维修不便，但安全性好。近年来，出于安全方面的考虑，池式钠冷快堆逐渐成为发展的主流。

为什么要用钠作为冷却剂呢？钠的主要优点为高导热系数和低中子吸收率。高导热系数有利于高速率传热，低中子吸收率有利于核反应进行。如钠的导热能力是水的130倍，用其作为冷却剂在很大程度上能防止堆芯的熔化。

同时，钠是地球上比较丰富的元素之一，在价格方面具有一定的优势。钠的熔点为98℃，沸点为883℃，能够在接近大气压力下运行。钠和钠钾共晶合金不会严重腐蚀钢材，并且与许多核燃料兼容。

钠是一种非常活泼的金属，与氧、水以及结构材料的相互作用具有高活性。钠和钠钾共晶合金在空气中可以自燃并可与水发生爆炸性反应，用其作为反应堆冷却剂需要密封的冷却系统，并需采取一些特殊的预防措施。

钠冷快堆能实现钚—239的增殖，30多年后钚—239就可以翻一番。因此，钚—239可以满足两座同规模钠冷快堆的需要。再经过30多年，钚—239就可以满足四座钠冷快堆的需要了……

中国是世界上第8个拥有钠冷快堆技术的国家。2000年5月，中国实验快堆（钠冷）开工建设，于2011年7月成功并网发电。2017年在福建霞浦开建的中国示范快堆A型（CFR—600），采用单机容量60万千瓦的钠冷快堆，计划于2023年完工。

铅冷快堆是由熔融铅（或铅基合金）冷却的快中子反应堆，在高温和接近大气压的条件下运行。

铅是人类最早发现的金属之一，由于其具有抗腐蚀特性被应用于许多场合。熔融铅和铅铋共晶合金具有的基本热力学和中子学特性，用作冷却剂具有一定的优势。如铅在常压下的沸点（1749℃）很高，铅铋共晶合金（铅44.5%，铋55.5%）的沸点为1670℃，具有较强的热传导能力。由于铅的密度较高，铅和铋也是出色的伽马辐射屏蔽材料，同时对中子几乎是透明的，中子吸收和慢化截面很小。

铅冷快堆具有热效率高、燃料利用率高，以及固有安全性的优势。同时，鉛是一种比钠更惰性的金属，不容易与水或空气发生反应。并且铅冷快堆产生的核废物更少，辐射毒性也更低。

但是，铅和铅铋共晶合金冷却剂要比钠或钠钾共晶合金对钢的腐蚀性更大一些。此外，铅和铅铋共晶合金的熔点较高，分别为327℃和123.5℃，意味着反应堆在较低温度下运行时冷却剂可能会凝固。

2016年，我国“麒麟一号”铅基快中子堆研发取得重大突破，冷却剂技术综合实验回路的实验能力和运行参数处于国际领先水平，对促进我国铅冷快堆的工程化具有重要的意义。

熔盐反应堆是一种与其他堆型不同的核反应堆，主要特征是使用高温液态熔盐作为冷却剂。为什么要用熔盐作为冷却剂？熔盐具有的高热容、高热导、高沸点以及低蒸气压等特点，使其在安全性和经济性方面具有显著的优势。

熔盐反应堆经过几十年的发展，已经由概念转化为三种主要的堆型，即熔盐冷却液态燃料热堆、熔盐冷却液态燃料快堆和熔盐冷却固态燃料堆。

世界上有多个国家致力于钍基熔盐堆的研究。具有中国特色的钍基熔盐实验堆已经在甘肃武威投入试运行。概括起来，钍基熔盐堆具有固有安全性、核废料少、用途广泛以及物理防核扩散等方面的优势。

引领未来的第四代核能系统具有更好的前景，也具有更大的挑战。只有早布局，才能争取主动！根据第四代核能系统国际论坛设定的目标，这些先进的核反应堆系统有望在2030年前后投入应用，届时将为人类带来更清洁、更安全、更高效、更经济的可持续性核能。