快堆：安全出发

　　快堆具有良好的技术潜力来应对类似福岛灾害所带来的安全性问题。关键要在后续的发展中把快堆的安全优势进一步突出，最大程度地抑制那些威胁环境和公众安全的因素

　　文/《中国投资》 赵沛楠

　　7月21日，对于中国实验快堆而言是一个激动人心的日子。2010年的这一天，中国实验快堆成功临界；而一年后的同一天，中国实验快堆又迈出重要的一步，顺利实现并网发电。

　　十时整，中国原子能科学研究院实验快堆主控室内，电功率表和大屏幕上的电功率曲线不停跳动着。随着中核集团总经理孙勤宣布：“中国实验快堆并网发电成功！”这一刻，被永远载入中国快堆发展的史册。

　　如果说，2010年的首次临界好比一个人的心脏开始跳动。那么，今年的并网发电，就意味着这颗心脏已经跳动得足够稳定有力。而这一切的根源，在中国实验快堆工程部总经理张东辉看来，都源于实验快堆从设计之初便开始对于高等级安全性的追求。

　　在接受《中国投资》杂志专访时，张东辉悉数中国实验快堆多项安全举措。采访中他坦承，在3月福岛核事故的大背景下，安全性强调得再多也不为过。

　　福岛核事故放缓示范堆进程

　　早在2010年，示范快堆便已选址福建省三明市。4月，由中核集团控股，福建投资开发总公司和三明市政府参与出资的中核集团福建三明核电有限公司在福州挂牌成立，该公司的任务即是建设以商业应用为目标的示范快堆。然而据记者了解，目前相关工作均已暂停。

　　在张东辉看来：“福岛核事故作为核电发展史上第三次灾难性的事件，确实对核电发展产生了巨大影响。”但是，回顾历史，美国三哩岛核事故在打击核电事业的同时，也促成了之后业界对于严重事故管理等一系列技术进步的诞生；而切尔诺贝利事故之后，纵深防御理念也随之产生。

　　因此，张东辉笑谈，福岛核事故带给快堆的是挑战和机遇并存。

　　挑战之说在于，不管何种技术方案，当前都面临一个共同的课题，那就是如何在极端自然灾害情况下保证反应堆的安全，所有的堆型都要回答这一问题，快堆也不能例外。由此造成的核能建设整体步伐的放缓，快堆当然也无可避免地受到波及，这是大环境下必须完成的子课题。

　　但从另一个角度看，这又是机遇。“我们仔细研究了福岛核事故进程，可以看出快堆确实具有良好的技术潜力来应对类似灾害所带来的安全性问题”，张东辉表示，“关键要在后续的发展中把快堆的安全优势进一步突出，最大程度地抑制那些威胁环境和公众安全的因素”。

　　停堆有保障

　　福岛核事故沉淀半年之后，固有安全性和非能动安全性成为核电下一步发展的主音。不过分依赖人员干预、不过多依赖外部能源支持，自身就能达成安全状态已经成为各技术路线普遍追求的目标。

　　在张东辉的介绍中，快堆的安全性正是体现在固有安全性和非能动安全性两大领域。

　　他从三大安全要求的角度向记者展开分析：“全世界有核国家的核安全法规都有如下三大安全功能的要求：首先在任何事故情况下都要能够做到停堆，其次就是要将剩余发热安全导出，最后一点则是放射性包容，即在最坏的情况下，堆芯已经融化，放射性物质溢出，安全壳也要能够将放射性物质包住，不要影响到公众和环境”。

　　据了解，当前世界上所有类型的反应堆最主要的停堆方式都是在核燃料区插入控制棒进行控制。在快堆中，控制棒组件里所装棒束落下行程比压水堆要短，并且由于快中子反应原理决定只要有一个棒束落下就能对全堆造成停堆效果。因此，从快堆本身特性来看，控制棒无法落下造成停堆危机的可能性要小得多。

　　余热导出非能动

　　“停堆还不是安全的全部，毕竟目前世界范围内发生的几起重大事故在前期都做到了安全停堆，只是因为余热没有及时导出，就造成了堆芯的烧毁”，张东辉进一步告诉记者，不管是压水堆还是沸水堆，在事故后的余热导出环节，主要都是依靠能动系统进行导出。更为先进的AP1000在设计中增加了一个水箱，可以在停电前期依靠水箱中储存的水流出进行自然循环将热量导出，但后期水流空之后同样存在问题。但往往余热导出的时间是以月计，因此，长期非能动余热导出能力非常重要。

　　而在我国实验快堆上，这一问题已经得到了解决。“实验快堆采用了不依赖外部电源的非能动余热导出系统，其中热交换器和空冷器连接，完全依靠自然对流和自然空气循环导出余热”，张东辉兴奋地告诉记者，这套系统不用阀门和泵，除打开空气冷却器风门为主动动作外，其余全部由非能动原理实现。这样就可以保证在全厂断电、地震和失水三种最严重的事故状态下，将堆芯余热导出。

　　记者从快堆工程技术人员处了解得知，快堆本身是一个高温系统，它的工作温度在500摄氏度以上，跟环境温差较大，比较容易实现自然循环的建立。并且在钠冷快堆中，钠本身的导热率是水的100倍，这使得冷却效果更加完善。

　　三道“防线”独立

　　在最后一道关卡放射性包容层面，多年来，纵深防御理念已经深入人心。燃料包壳、一次压力边界及安全壳三道边界提供保护。但在张东辉看来，压水堆和沸水堆等高压系统在各道包容之间的独立性并不完善，一起事故往往会使得几道包容边界失效，造成连锁反应。

　　“热中子反应堆堆芯丧失冷却剂之后温度升高，超过1204°就会出现很强烈的锆水反应，包壳就会反应掉，第一道保护很容易失效。而锆水反应产生的大量氢气，又对第二道包容边界——压力容器造成很大的破坏。想要保持它的完整性就必须人为将氢气排出，然而氢气又是易爆气体，遇到高温或大火就会出现爆炸，此次福岛事故就是在这一层面出现氢气爆炸”。张东辉这样向记者解释。

　　而在快堆上，各道包容边界间的独立性相对而言就要好得多。首先，钠冷快堆的冷却剂是钠，跟包壳在任何情况下都不会发生反应；第二点，钠本身沸点很高，不存在闪蒸造成高压的情况，而快堆本身工作压力也仅有0.5个大气压，堆内很难突增高压使得压力边界被破坏。可以说，在各种事故下，快堆的各道包容边界都具有较好的独立性，不存在一个单一故障连续突破“防线”的问题。

　　钠-钠-水三回路设计

　　当然，快堆的安全性也不能说是万无一失。“钠作为一种活泼金属，跟空气接触容易氧化，燃烧，跟水接触会反应生成氢气，这是目前钠冷快堆在安全方面需要着重解决的问题”，张东辉认真地告诉记者，快堆很容易实现核安全，但是从工业安全角度接下来的任务要重于现有压水堆。

　　为解决这一问题，张东辉特别向记者介绍了钠冷快堆所采用的钠-钠-水三个回路的系统设计方式。“前端钠在反应堆里，后端水在发电环节，从热工角度看两个回路就足够了。但为了在发生事故时避免水直接进入反应堆中，实验快堆设置了二回路，将反应堆内的钠和三回路的水严格隔开，保证反应堆的安全”。他告诉记者，这样的设计，最大程度上保证了钠冷快堆的安全。从世界范围看，已建成的20多座快堆所积累的300多堆年的运行经验中，虽发生过多次钠泄露，但均属小型工业事故，没有任何一次出现核事故的苗头。

　　“国际上对于四代核电的安全性要求为：即便在堆芯烧毁的严重事故下，也不需要厂外应急。事实上，快堆可以在合理的代价范围之内解决安全问题”。张东辉略显自豪地表示。

　　2025年左右商用推广

　　实现在40%的功率下24小时并网发电，这是国家科技部、科工局联合批复的实验快堆项目的验收目标。并网发电的成功，标志着我国已经掌握了实验快堆的全套工程技术。当中国快堆迈出由实验室成功走向工程建设这重要一步之后，越来越多的目光集中在之后的商用化道路上。

　　在接受《中国投资》杂志专访时，实验快堆首席专家徐銤向记者表示：“从世界范围来看，第四代核电的目标是在2030年左右实现快堆的商业化，主要的快堆先进国家都制定了相应的发展计划。考虑与我国能源发展相匹配的问题，我们建议在2030年之前实现商业化目标，如果能够走在世界范围前列，就可以在满足自身需求的同时去国际市场上分一杯羹”。

　　这位与快堆结缘45年的老人为我们列出了如下时间节点：力争在2013年完成自主知识产权的百万千瓦级示范堆CFR1000的初步设计；2015年将大部分施工设计和关键设备、关键技术的研发完成；2016年动工修建，用6年时间争取在2022年建成首座示范快堆；在经过2-3年的运行检验后，在2025年左右完成标准化设计进行商用推广。

　　张东辉告诉记者，当前建成的实验快堆麻雀虽小、五脏俱全，与大型电站相比无论是技术方案还是系统设置，除功率小之外没有区别。有了这样的基础，我国快堆发展经过“三步走”战略，即实验快堆-示范快堆-大型商用快堆，更容易形成被市场接受的商业化产品。

　　燃料材料制约快堆运行

　　在张东辉看来，实验快堆的建成事实上是提供了一个进行深层次快堆技术研发的平台，在此基础上进一步开展燃料、材料以及安全技术、设备、仪控等多方面研究，同时积累运行经验和维修经验。

　　其实对于所有反应堆来说，基础问题只有三个：中子物理、热工水力和材料，实验快堆目前面临的瓶颈就在于燃料材料领域。

　　采访中，记者了解到实验快堆在实现并网发电之后是一种维持状态，并未运转。当记者向张东辉提及此事时，他苦笑着对记者说：“你说到了我的痛处呀！”他向记者解释说，一个堆要发挥作用，首先要运转起来，但目前有几个事情尚未得到解决。

　　首先，在并网发电过程中，发觉有些系统及设备存在缺陷，因此目前堆内正在进行整改，整改之后经过核安全局的许可才能继续开堆。

　　第二个原因在于资金问题，实验快堆前期总投资25亿元仅能够支持到40%发电这一节点，要开高功率，必然要带来大量费用的产生，在新的资金尚未到位之前，目前没有这样的财力将快堆开下去，张东辉告诉记者，目前后续的资金支持也已经提上了日程。

　　最重要的问题在于燃料环节。我国的实验快堆目前只落实了一炉燃料，燃料满功率燃烧能够支撑一年时间，接下来的燃料问题还没有落实。“所以我们希望把后面需要在堆内考验的燃料、材料的堆外研发完成，将之放入堆内之后再把堆开起来，以避免燃料浪费”，张东辉如是说。

　　资料

　　国际快堆发展情况

　　上世纪中期到七八十年代，国际上曾经兴起过一阵快堆建设高潮，欧美的快堆几乎都是在那个时代建成的。但是在那之后长达20年的时间里，快堆建设陷入低谷，前期建设的实验快堆也基本退役。不过，在2000年之后，随着第四代核电技术被提出和受到广泛重视，目前，一股快堆建设的潮流正席卷全球。

　　第四代核电技术包括6种堆型，分别是钠冷快堆、铅冷快堆、气冷快堆、超临界水堆、熔盐堆和超高温堆。钠冷快堆是所有堆型中的“一号种子选手”，建过18座。而其余的堆型还尚停留在理论研究阶段。

　　上世纪80年代之后，美国停止了快堆建设，这其中有经济危机的影响，也有防止核扩散的考虑，但美国一直没有停止快堆研究工作。而这一情况已经发生了变化。由于放射性核废料太多，美国先进快中子燃烧堆AFBR正在设计，估计2025年建成。

　　日本1977年建成JOYO，1994年建成MONYU。后者在1995年刚运行不久时意外发生了一次一般的钠火事故。实际上，钠火事故是工业事故，本身并不属于核事故，但该事件还是引起了公众的反对，反应堆也因此暂停。

　　不过，鉴于日本特殊的地理和人口条件，经原子能委员会组织专家论证，最终还是得出日本必须发展快堆的结论。因此，MONYU在停了15年之后，于2010年5月8日又恢复临界。而JOYO在检修之后也随时准备恢复运行。

　　印度1985年建成快中子增殖实验堆FBTR，虽然规模只有40MW，但时间上比中国早很多，并且仍在运行。

　　俄罗斯也是快堆建设大国，分别在1955年、1956年、1958年和1972年建设过4座快堆，目前都已退役。而1969年60MW的BOR-60和1980年建成的BN-600一直运行到现在。

　　BN-600虽然是一个原型堆，但是运行得很好，除了两年的调整期，在运行的28年中平均负荷因子达到74%，几乎跟商用堆一样。

　　采访手记

　　2011年10月，正是北京秋高气爽的好天气，然而在房山原子能研究院实验快堆工程部内，记者仿佛还能感受到炙热的7月留下的气息。成功并网发电后的中国实验快堆并没有停下脚步，科研人员已经开始全力调试发电过程中出现故障的部分设备，CFR1000的概念设计更是紧锣密鼓的进行中。对于张东辉而言，示范堆的产业化进程显然已经成为当前更为重要的课题。