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【月度聚焦】行波堆渐行渐近——全球首座行波堆示范电厂加快面世步伐
文章来源:中国核工业杂志 日期:2017年07月12日

  行波堆是一种使用金属燃料的钠冷快堆,属于四代核能技术,通过原位增殖焚烧、超长周期换料和使用贫铀等技术拓展了燃料循环方式,在提高铀资源的可利用率,减少乏燃料量,增强防止核扩散的能力等方面为核能可持续发展提供了一个优选方案。

  快堆与行波堆概念的起源

  回顾快堆历史,上个世纪40年代末期,原子能之父费米在提出快中子增殖反应堆的设计原理时曾经说过:谁掌握了快堆技术,谁就掌握了核能的未来。传统的热中子反应堆(包括压水堆、沸水堆、重水堆、石墨堆等),利用易裂变核素铀-235(235U,天然铀中的含量仅为0.7%)吸收热中子发生的链式裂变反应产生能量。而快中子反应堆则利用不易裂变的铀-238(238U,天然铀中的含量为99.3%)吸收快中子后衰变产生的钚-239(239Pu)的链式裂变反应产生能量(如图1)。发展快堆、高效利用铀-238,无疑将是核能长期可持续发展的战略保障。

  自费米设计的全球首座快堆EBR-I(如图2)于1951年建成发电以来,全球共建成和运行了20座快堆(其中有1/3用于发电),除美国设计建造和运行过金属燃料快堆外,其它都是使用高浓铀和混合氧化物(MOX)陶瓷燃料。法国和俄罗斯等国的快堆项目已经证明,使用MOX燃料的快堆,可以解决轻水堆乏燃料后处理产生的铀和钚的再利用问题,提高铀资源在燃料循环后端的利用率。

  行波堆(TWR)是快堆的一种,是使用金属燃料的钠冷快堆。1958年,菲恩伯格(Feinberg)在国际和平利用原子能会议(ICPUAE)上首次提出了“增殖-燃烧反应堆”的概念,主要物理过程为可转换材料(如238U)在反应堆内的“原位”增殖和焚烧,将整个闭式燃料循环在同一个堆内实现,简化核燃料循环的工业生产过程和规模需求,提高一次通过模式的燃料利用率。由于该增殖焚烧过程通常有增殖“行波”(功率峰值移动)和焚烧“行波”的物理图像,这种堆被广泛称为行波堆。

  行波堆概念提出后,陆续开展的堆芯设计方面的理论研究主要有两类:一类是采用标准的快堆堆芯设计和普通燃料组件,在停堆时采用燃料置换操作,如美国布洛克海文国家实验室和麻省理工学院联合提出的快混合谱堆芯设计,俄罗斯专家Toshinsky提出的铅冷增殖焚烧堆和Yarsky提出的气冷增殖焚烧堆等;另一类堆芯设计是燃料静止(没有倒料),裂变波相对于燃料移动,如美国泰勒提出的气冷钍基燃料增殖焚烧堆,日本的关本(Sekimoto)教授提出使用铅冷和球状燃料的蜡烛堆等。行波堆燃烧原理的核心是核燃料的利用从点火区开始,增殖和焚烧先后进行,实现核燃料一次通过并且深度焚烧。理想的行波堆概念如果实现,核燃料就像蜡烛被点燃后直至完全烧尽一样,意味着反应堆全寿期没有乏燃料或废料产生,将彻底解决核燃料堆内燃烧卸出后的堆外管理问题。

  行波堆与驻波堆的技术特点

  微软公司创始人比尔·盖茨为了寻找清洁能源技术,为全球经济可持续发展提供所需动力的解决方案,在2006年召集了一批美国核能专家,分析了现有的各种新一代核能技术,充分借鉴了美国快堆的设计、建造、运行经验,提出了将早期的行波堆概念分阶段工程化应用的方案,研制一种使用金属燃料(铀锆合金)的新型钠冷快堆。2008年,行波堆的堆芯设计取得了突破性进展,证实了在二维模拟中,圆柱形几何堆芯的“驻波”(Standing Wave)通过周期倒料可以实现行波堆的设计。这个设计用于圆柱型的堆芯极大地简化了反应堆设计并能应用大量成熟的快堆工程和设计经验,此后这个设计方案经过多次改进,目前已完成核岛堆芯的概念设计(如图3、图4所示)。

  泰拉能源的方案采用具有耐高辐照性能的金属材料,通过堆内倒料和长周期换料实现“驻波”,再通过不断研发更深燃耗的燃料和材料,逐步实现超长周期换料,并向全寿期不换料的目标趋近,从而由“驻波”实现“行波”。通常,表征核燃料和材料辐照损伤特性的一个标志性指标是,单位原子位移(dpa)。相比较,压水堆燃料为十几个dpa,燃耗深度峰值达到6%左右;传统快堆燃料为几十个dpa,燃耗深度峰值可达到10%;行波堆的燃料设计将达到几百个dpa,燃耗深度峰值可高达30%。

  从设计原理上讲,轻水堆中的水作为冷却剂的同时对中子有慢化作用和吸收作用,而MOX和UO2燃料中的氧原子核对中子也有一定的慢化作用,行波堆采用液态钠作为冷却剂,燃料采用纯金属的合金燃料,使中子能谱更硬,提高铀-238转化成钚-239的效率,增强增殖反应性。同时由于行波堆的特殊设计,在堆内产生的钚-239不需要在堆外进行处理,就可以直接燃烧,从而实现原位增殖焚烧。通过压水堆与行波堆的设计参数等内容的比较,百万千瓦级行波堆的设计全寿期天然铀的用量只有同等规模压水堆的15%左右,大幅提高了铀-238的利用率。在不进行乏燃料后处理的情况下,商用行波堆能够将铀资源的利用率提高到压水堆的7~8倍。

  由于行波堆的设计可以更高效率利用铀-238,利用率比压水堆提高10倍左右,可以相当规模上替代使用浓缩的铀-235,使得规模化利用贫铀或天然铀燃料成为可能。值得强调的是,行波堆还有一种特殊的设计,通过倒料和换料使得寿期初和寿期末堆芯的功率和温度分布基本相同。这种设计方案在原理上,可以实现商业化行波堆(父代)在60年寿期末卸出的燃料在添加额外的贫铀后作为新的行波堆(子代)的初装料,构成120年的(父-子代)行波堆贫铀燃料循环。子代行波堆只需要贫铀,这将极大的增加行波堆燃料的经济性以及铀资源的可持续利用。

  行波堆技术能够满足四代核能的要求

  国际原子能机构和世界核协会等组织均强调,解决核能长期规模发展面临着安全性、可持续性、经济性和(出口)防扩散等关键问题的挑战,尤其是其中的可持续性要求,需要充分利用铀资源,并实现核废物最小化。GIF提出的四代技术解决方案中,快堆技术占据了5/6。图5为核能发展路线图。

  据世界核协会统计,截止到2016年底,全世界浓缩铀生产产生的贫铀尾料已累计达到160万吨,已探明的可开采天然铀储量570万吨(2015年),两者相比为同一数量级。目前全球在役反应堆的燃料生产,贫铀数量以每年5万吨增加。国际机构预测,到2040年全球核电装机总容量将比目前增加60%,未来可探明的铀资源能否满足这一增长需求仍然是一个巨大的未知数。而快堆的应用,特别是贫铀的规模化高效利用,无疑具备使核能的铀资源保障度提高数十倍的潜力。

  在安全性方面,由于行波堆采用了高温常压的池式钠冷快堆系统,利用金属燃料和冷却剂的优势,本身具有很高的固有安全性。行波堆的设计中,保护反应堆停堆的系统、余热排出系统、放射性物质屏障等系统,均设计为非能动、无需人力干预的自主运行,这些设计提高了固有安全性,内部事件堆熔概率(CDF)达到10-9,可以取消场外应急。在防止核扩散方面,由于使用贫铀燃料减少了对铀浓缩及其技术的需求,超长周期换料减少了乏燃料的卸出量,乏燃料可以选择不后处理等特点,能够有效降低这方面的风险。

  在经济性方面,由于行波堆的高燃耗特性,初步估算的行波堆乏燃料中的高放废物量约为压水堆的20%,可以选择不进行后处理,结合原位增殖焚烧的降低浓缩铀需求的特点,能够极大地减少全寿期的燃料成本。由于堆芯出口温度达到510℃,使其热效率提高到42%,而长周期倒料和换料使得行波堆全寿期的平均可利用率高达90%。据初步分析,目前设计的行波堆示范机组的预期经济性,可以与同期设计的新一代FOAK(首堆技术)具有可比性;实现NOAK(成熟技术)批量设计建造的商业行波堆,预期经济性可与目前市场的三代技术相竞争。

  展望未来,尽管业内部分观点认为,二代及其改进型机组的延寿市场方兴未艾,作为轻水堆向快堆过渡的三代技术刚刚起步并将可能持续一段时间,四代技术在2035年前后规模化占领商业市场的预期或许有所推迟。但笔者认为,2035年前后仍可视为三、四代技术的关键过渡期,适度引入商业行波堆等可以规模化使用贫铀的新技术,并逐步规划安排市场份额,将可以在前端充分消耗贫铀,通过逐步实现规模化利用贫铀,一定程度缓解后端乏燃料管理压力,实现完整意义上的燃料循环前、后端闭合。

  中美行波堆合作历程

  比尔·盖茨及其合作伙伴于2007年在美国高智公司(Intellectual Venture)孵化创立了行波堆研究团队并随后成立了泰拉能源公司(TerraPower)。2012年,泰拉从高智公司独立。泰拉采用技术成熟度评价方法建立风险管控体系,利用全数字化计算和模拟的仿真平台,形成了顶层设计与面向全球的外包合同相结合的集成式创新管理体系。

  2009~2010年,泰拉团队开启了寻求合作伙伴的历程,先后前往中国、印度和韩国访问,最终选定了具有稳定的中、长期核电发展规划,以及拥有核电项目建设和电厂运行经验的中国作为行波堆技术示范项目的“安家地”,并于2011年2月开始与中核集团开展深入交流和探讨,同时建立了长期合作伙伴关系。虽然双方在交流合作之初就遇到了福岛核事故,但泰拉并未停止设计改进和创新计划,双方也未停止交流与合作探讨。泰拉在满足中国和国际最新安全标准的前提下,于2015年完成了原型堆电厂核岛堆芯系统的概念设计。

  2015年11月11日,比尔·盖茨带着最新的设计向李克强总理做了汇报。李克强总理说:“上一次你的身份是微软公司董事长,这次换身份了,开发新能源及核电。你总是往前赶,有超前的意识和敏锐的眼光,祝贺你!”这不仅仅是祝贺,更是对双方合作的鼓励和鞭策。双方在中美两国政府签署的《和平利用核能合作协定》及其行波堆的《执行安排》等文件的指导下,基于“风险共担、利益共享”原则,建立了联合开发行波堆技术平台,合作逐步走向深入。双方分别与2015年9月和2017年月3月签署了不同阶段的企业合作文件。2017年3月23日,中核集团董事长王寿君与比尔·盖茨会晤确定了深入合作的方向和原则。双方正按照制定的技术开发和项目建设路线图,以多功能小型化设计及工程实施方案为起点开展深入合作。全球首座行波堆示范电厂的面世步伐正在加快,“行波”渐行渐近。

  注:本文得到了泰拉能源高级副总裁、中国总代表王定南先生,以及泰拉能源行波堆技术项目经理何里宾先生的指点,在此表示感谢。此外,对曾经直接在行波堆项目组工作过的严明宇、谌登华、张知竹、刘廷伟、张辉等做出的贡献一并表示感谢。

  特别说明:鉴于中核集团和美国泰拉能源公司正在开展技术和商务合作,行波堆技术是双方合作的核心内容和敏感信息,本文内容均不涉及行波堆技术的详细描述和解释,敬请谅解。本文严格遵守中美签署的行波堆《执行安排》的有关规定,未经合作方同意的转载和解释所引起的纠纷和不正确的解读,作者将保留追究责任的权利。(作者为中核集团行波堆项目组成员章庆华 王佳明 王海东 刘轶群)

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