快堆技术迈向商业实施

核能正经历又一次热潮。这一次，它可能真正带来全球反应堆数量的急剧扩张。多重驱动力在起作用：脱碳化要求、在地缘政治紧张局势加剧背景下日益增长的能源安全担忧、一类新的消费者——需要可靠且经济电力的数据中心运营商，以及核工业领导权的大国竞争。

然而，核电装机容量的简单、大规模增长将不可避免地遇到天然铀稀缺的问题。在闭式核燃料循环中运行的快堆提供了一种解决方案。这项技术距离商业部署有多成熟，是全球专家在5月于中国北京举行的FR26国际会议上分析的主题。此次会议由国际原子能机构（IAEA）组织，并得到了中国国家原子能机构（CAEA）和中国原子能科学研究院（CIAE）的支持。

在核反应堆燃料中，中子通量下存在两个相互竞争的过程：裂变和中子俘获。前者负责热能生产；后者负责增殖新的核燃料——例如，由铀-238生成钚。在现代压水堆（PWR）和沸水堆（BWR）中，中子被慢化到约0.025电子伏特（eV）的能量，第一个过程占主导地位。粗略估计，每消耗一公斤（kg）燃料，大约产生500克（g）新燃料。

在快堆中，情况根本不同：每消耗一公斤燃料，可产生超过1公斤的新燃料。因此，在闭式燃料循环中运行的快堆几乎可以利用全部的铀-238资源进行能源生产，从而有效解决铀稀缺问题。专家们早就意识到了这一重要优势。在美国，诺贝尔奖得主Enrico Fermi于1944年首次指出了这一点。不久之后，苏联科学家Alexander Leypunsky独立得出了相同的结论。此外，正如IAEA总干事Rafael Grossi在视频致辞中提醒与会者的那样，世界上第一座发电的反应堆就是一座快堆——1951年的EBR-I。

然而，快堆技术从未得到广泛应用。世界上第一座并网的核电站（Obninsk，1954年）使用的是热堆。快堆的推广受到另一个过程的阻碍——弹性中子散射，在此过程中中子损失能量并减速。原子核越轻，中子可能损失的能量份额就越大：与氢原子核碰撞，中子几乎可以完全停止。这意味着水不适合作为快堆中的冷却剂——它会慢化中子。必须找到替代品。

钠作为一种折衷方案出现，但其化学活性需要一个三回路反应堆设计，这急剧增加了建造成本。此外，快谱中子通量比热堆高出两个数量级（由于低相互作用截面），需要开发专门的抗辐射材料。因此，快堆仍然是孤立的、独一无二的装置。

与此同时，铀稀缺问题并未失去其紧迫性。根据IAEA和其他权威来源的估计，在当前消耗水平下，经济可采的天然铀储量将持续约100年。但如果全球反应堆数量按计划急剧扩张，核能最早可能在21世纪下半叶面临严重短缺。因此，回归快堆是不可避免的。

如何在不产生过高资本支出的情况下过渡到快堆，同时保留热堆积累的大量设计和运行专业知识？FR26的报告表明，主要核能国家已设定航向，迈向双组分核能系统，其中快堆和热堆将至少共存到21世纪末。在这样的系统中，快堆负责维持燃料循环中的钚平衡，主要为其自身使用增殖钚，并可选择性地为热轻水堆增殖。中国、印度和俄罗斯已经在这条道路上迈出了第一步；日本、韩国，可能还有法国和美国，预计将紧随其后。

双组分系统中的快堆将承担额外的角色。FR26的一篇论文确定了五种这样的角色；其中两种值得更仔细研究。将热堆从铀燃料过渡到铀钚燃料会带来一个不利的缺点。热堆中钚的同位素组成会迅速退化——更高同位素（钚-240、-241、-242）的比例增加。法国在上个世纪遇到了这个问题，当时铀钚燃料已在压水堆中工业规模使用，但仅用于单个燃料循环。来自压水堆乏混合氧化物（MOX）燃料的钚不适合在热堆中再利用。相比之下，快堆不仅可以将这种钚用作燃料，还可以恢复其同位素组成。一些俄罗斯专家将此过程称为“治愈”钚。该方案运作如下：钚在热堆中完成一个循环，然后在快堆中完成一个循环，之后以恢复的同位素组成返回热堆——如此循环往复。

快堆的另一项任务是嬗变次锕系元素——主要是镎、镅，可能还有锔的同位素，它们是核燃料中产生的副产品。正如会议报告中所指出的，如果此类废物直接处置，其放射性毒性在10万年内都不会降至天然铀的水平。然而，如果将次锕系元素添加到快堆燃料中，则仅需300年即可达到相同的放射性毒性水平。

快堆的所有优势只能在闭式核燃料循环中在实践中实现——这一点在整个会议期间被反复强调。如果不进行乏燃料后处理并将铀和钚返回循环，建造快堆就失去了其理由：它们在经济上将无法与热堆竞争。循环闭合的物流可以采取不同形式，FR26的一个专门小组会议专门讨论了这个问题。

[表：1. BREST-OD-300反应堆是Rosatom正在西伯利亚Tomsk州Seversk建造的ODEK示范能源综合体的一部分。该综合体包括BREST-OD-300快堆、一个核燃料制造和再制造模块，以及一个乏燃料后处理模块。图片来源：Rosatom]

中国倾向于采用一体化综合体，将四到八座快堆与乏燃料后处理和新鲜燃料制造设施合用一处厂址。出于历史原因，日本更依赖集中式后处理，将全国的乏燃料运送到类似Rokkasho的综合体。Rosatom在会议上展示了其自己的模型——一个目前正在Tomsk州Seversk建造的模型。在这座西伯利亚核能城市，ODEK示范能源综合体正在建设中。它包括BREST-OD-300快堆（图1）、一个核燃料制造和再制造模块，以及一个乏燃料后处理模块。这是世界上首次尝试将商业规模的快堆动力堆与全套燃料循环设施合用一处厂址。Rosatom将此系统称为“厂址内闭式核燃料循环”。该国家公司正在开发第四代核能系统，不是作为一系列新的反应堆技术，而是作为一个一体化综合体，其中快堆、制造、乏燃料后处理和再制造形成一个单一的技术回路。

乍一看，俄罗斯和中国的方法似乎相似，但存在一个显著差异——快堆的类型。中国押注于使用金属燃料的钠冷CiFR-1000，而俄罗斯的ODEK将使用采用混合铀钚氮化物燃料的铅冷反应堆。这在世界实践中是一种全新的反应堆类型。