“熱堆——快堆——聚變堆”的核能“三步走”發展戰略是我國的國家戰略。不僅在我國，“快堆”技術一直備受世界各國青睞，被視為解決未來能源短缺和減排問題的關鍵。那么，這項引人矚目的技術究竟為何物？

什么是快堆

快中子反應堆(Fast Neutron Reactors)——簡稱快堆，是一種以快中子引起易裂變核鈾-235或钚-239等裂變鏈式反應的堆型。

那么什么是快中子呢？

中子（Neutrons）是一種不帶電的粒子，是組成原子核的核子之一。而快中子（Fast Neutrons）是指動能在 1M eV~20M eV 范圍的自由中子，速度超過15000 km/s（約為光速的5%）。在核反應堆中，快中子通常由重核的裂變反應產生。快堆直接利用快中子引發易裂變核素裂變鏈式反應，而我們常見的壓水堆、重水堆等則屬于熱中子反應堆，即通過慢化劑將中子減速后，引發裂變反應。

自由中子按照其動能由低到高可分為冷中子、熱中子、超熱中子、共振中子、中能中子、快中子和相對論中子。中子輻射需要以富有氫核之物質掩蔽，例如混凝土和水。核反應堆是常見之中子放射源，通常以水作為有效的中子掩蔽物。

重核的裂變鏈式反應示意圖

2.快堆有什么優點？

（1）增殖——解決鈾礦資源利用問題

在核反應過程中，增殖（Breeding）是指在反應堆中新生成的易裂變材料與消耗的易裂變材料更多，即增值比大于1。在快堆中，鈾-238吸收高速中子變為鈾-239，并快速衰變為較為穩定的钚-239，钚-239可作為與鈾-235相似的裂變原料。因此快堆的裂變燃料越少越多，是當今唯一現實的增殖堆型。

當前主流的壓水堆、沸水堆等熱中子堆都是利用鈾-235作為裂變燃料，而鈾-235只占天然鈾的0.7%左右。這樣“一次通過”（指燃料如鈾在反應堆中只經過一次裂變過程，沒有進一步的燃料回收或再處理）只能利用鈾資源的0.45%左右，剩余的未利用資源多數是鈾-238。極低的利用率造成了鈾資源的“浪費”，現有裂變核能只能是“百年能源”。

但是如果將壓水堆運行后產生的工業钚和未燒盡的鈾-238作為快堆的燃料進行多次循環，理論上能將鈾資源的利用率提高到100%。但考慮到工藝損耗，一般來說至少可以達到60%～70%的利用率，即使如此，也是壓水堆燃料一次通過率的130～160倍，使得裂變核能成為“千年能源”。

天然鈾利用過程中產生的貧鈾核乏燃料中含有大量未被利用的鈾資源，乏燃料中還含有一定量的高放射性廢物。

（2）嬗變——解決核能環境安全問題

嬗變（Transmutation）是指用光子核亞原子例子束轟擊靶原子，引起核反應的過程。這種將一種原子核轉變為另一種原子核的方法，簡單來講就是“點石成金”。由于中子的穿透能力極強，各種能量的中子都可能引起核反應，而且不同反應、不同核素、不同中子能量的反應截面（概率）相差很大，為選擇性嬗變提供了條件。

反應堆或核電廠的乏燃料后處理會產生高放射性的廢液及其固化體（即高放射性廢物）。這些高放廢物的體積雖小，但放射性強、半衰期長、毒性大，若使用“一次通過”的方式進行處理，這些高放廢物的放射性毒性需要幾萬年才能降低到天然水平。

快堆的中子能量高、通量密度高，是當前可用于高放廢物“分離-嬗變”的成熟技術和現實方案。將高放廢物中的長壽命放射性產物分離出來，再放入快堆中“焚燒”，就可以使得其放射性毒性在數百或數千年內降低至天然水平。

圖3：快堆焚燒時間及放射毒性間關系圖

圖中所示可以看出，使用“快堆焚燒”可以大幅降低高放射性廢物的危害、縮短廢物處置時間。

3. 世界上都有哪些快堆？

國外快堆的發展至今已有半個世紀，美、俄、英、法、日、德、意、印、中等國均建有快堆設施，在全球范圍積累了超過400 堆·年的快堆運行經驗。快堆作為第四代先進核能系統，在能源利用、環境安全等方面具有獨特優勢。研究和建設快堆是未來一段時間全球裂變能源領域的重要發展趨勢。

美國 —— 快堆技術研究的先驅

美國阿貢國家實驗室建設了世界上第一座快中子增值堆——“實驗增值堆一號（Experimental breeder reactor - I，EBR-I）”。該反應堆于1951年落成并成功利用核反應發電點亮了4只燈泡，這也是世界上首次實現核能發電。此后，美國還建設了“實驗增值堆二號（EBR-II）”、費米一號（Frime I）、“快通量實驗設施（FFTF）”等利用和研究快中子反應的核設施。

俄羅斯（蘇聯） —— 快堆商用的領導者

俄羅斯（蘇聯）的快中子堆研究始于BR-1，該反應堆于 1955 年在奧布涅斯克的物理和動力工程研究所開始服役。BR-1 反應堆實現了 2.5 的燃料增殖比，驗證了快堆在核燃料利用方面的廣闊前景。俄羅斯（蘇聯）在快堆商用上走在世界前列，位于別洛雅爾斯基(Beloyarsk)的核電廠是目前世界上唯一處于商運狀態的快堆核電廠，其中部署了BN-600 和 BN-800 兩臺機組。俄羅斯未來還將建設鈉冷快堆 BN-1200、鉛冷快堆 BREST-OD-300 等機組。

俄羅斯鈉冷快堆BN1200

中國的快堆歷史 —— 先進快堆技術的開拓者

1986 年，我國快堆技術開發納入國家“863”高技術計劃，最終建成了 65 MW 的快中子反應堆——中國實驗快堆（CEFR）。CEFR坐落于中國原子能科學研究院，于2011年并網發電。2014年10月，示范快堆工程項目總體規劃方案獲得國家批準，2017年，其1號機組開工建設，2020年2號機組開工建設，至今已經成功運行將近10年時間，效益顯著。

如上圖所示，一體化閉式循環快堆核能系統（一體化快堆）指在同一廠址建設鈉冷快堆、干法處理廠、燃料制造廠和廢物處理設施，實現高效閉式燃料循環利用。一體化閉式循環快堆核能系統的研發和設計工作于2021年啟動，2022年5月國家正式批復立項。計劃通過10-15年時間建成一體化快堆示范工程，實現我國先進核能領域的重大科學和技術跨越，為建成世界核科技強國提供強大的科技支撐。

參考文獻

[1]無盡的能源一體化快堆. （美）C.E.蒂爾,（美）張潤一.2020.

[2]快中子堆（現代物理知識）. 徐銤. 2018. (快中子堆)

[3]實驗增值堆一號（Experimental Breeder Reactor I）. ASME. 1979. (https://www.asme.org/about-asme/engineering-history/landmarks/39-experimental-breeder-reactor-i)

[4]中核集團示范快堆工程2號機組開工建設. 國家原子能機構. 2020. (中核集團示范快堆工程2號機組開工建設)

文章由科普中國-創作培育計劃出品，轉載請注明來源。

作者：蘇豪展 科普作者

審核：粱忠偉 廣州大學機電學院 副院長

來源: 星空計劃

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