从未“离去”的快堆

从民用核工程发展的早期，快堆就已经开始设计。尽管快堆有许多潜在优势，但该行业一直受到持续的技术挑战困扰，阻碍了预期的增长轨迹。随着增殖技术的进步，这一切可能都将发生改变。

1、重新关注快堆

国际原子能机构(IAEA)总干事拉斐尔·马里亚诺·格罗西(Rafael Mariano Grossi)今年发表了这番话：“现在是时候再次关注快堆了：这是一种创新技术，可以从铀中提取更多的能量，并反复回收核废料，有助于保护自然资源，同时减少废料对环境的影响。”

格罗西在第四届快堆和相关燃料循环国际会议开幕式上发表了讲话：面向未来的可持续清洁能源。

格罗西强调了发展快堆技术的必要性，他说：“除了像所有核反应堆一样低碳外，快堆系统在可持续性方面也很关键：它们减少了废物的环境足迹，同时从燃料中提取了更多的能量。它们可以成为通往更安全、更高效核能的桥梁，为数代人提供可持续的清洁能源。”

2、快堆的早期发展

新一代反应堆旨在创建本质上更安全、更高效的核电站，这些反应堆可能有助于开发更可持续的核能，也可能用于各种工业应用。

快中子反应堆(FNR)在没有慢化剂(如水或石墨)的情况下运行，以维持裂变链式反应，并且可以从燃料中提取比现有热反应堆设计多70倍的能量。

快堆可以产生或“繁殖”比消耗的燃料更多的燃料，并且可以燃烧乏燃料中的一些废物，从而大大减少高放废物(HLW)的体积、毒性和寿命。

FNR系统还可以实现全封闭的核燃料循环，在该循环中，辐照燃料被再处理和再利用。

迄今为止，液态钠一直是FNR的冷却剂选择。

钠具有高沸点，可以提取更多的热量，从而实现更高的功率密度和更高的温度。这使得较小的反应堆能够产生更多的能量和发电量。

其缺点是与水和空气接触时发生化学反应。为了克服这一问题，目前正在开发其他液态金属冷却剂。

铅铋共晶(LBE)在20世纪60年代被用于俄罗斯核潜艇，现在与铅一起被开发为动力反应堆。

这些冷却剂与空气和水接触时具有化学惰性，简化了传热系统。

此外，液态金属并不是所考虑的唯一可能的冷却剂。气体冷却剂，如氦气和熔盐混合物也在研究中。

有史以来第一个发电的核反应堆是由液态钠冷却的FNR——美国爱达荷州国家实验室的实验增殖反应堆(EBR-I)。

1951年，该反应堆产生的电力足以照亮四个200瓦的灯泡。

1962年，英国的杜恩雷快堆(DFR)成为世界上第一个向国家电网供电的FNR。

表1：关闭或取消的快堆项目

20世纪60年代和70年代，美国和欧洲，特别是英国、法国和德国，对FNR的热情与日俱增(见表1)。

然而，事情在20世纪70年代末开始发生变化，随着1979年美国三里岛事故和1986年切尔诺贝利灾难的发生，对稀缺铀资源的担忧减弱，公众舆论变得越来越敌对。

到20世纪90年代初，美国、英国和德国关闭了他们的FNR项目。

法国继续其Phe´nix和SuperPhe´nix项目数年，尽管有时会发生激烈的公众抗议，最终于1998年关闭了SuperPhe‘nix，并于2009年关闭了Phe’nix。

随后，2019年，法国还取消了第四代ASTRID钠冷快堆示范设计项目。

1984年，法国、英国、意大利和德国同意启动欧洲快堆(EFR)研究。

1985年，英国、法国、比利时、意大利和德国启动了EFR计划，努力在1993年之前设计一个1500 MW的原型反应堆。

1988年，法国、德国和英国的主要设计活动被合并，西门子、Novatome和NNC成立了EFR Associates(EFR-A)，以设计一个新的EFR，结合了三个国家项目的特点。

国家研发计划被合并以支持这一计划。比利时、法国、德国、英国和意大利的公用事业公司组成了欧洲快堆公用事业集团(EFRUG)，作为EFR的潜在客户。

然而，这一切都化为乌有，EFR项目于1998年被取消。

3、从经验中学习

英国的杜恩雷快堆(图源：网络)

在接下来的几十年里，发展初期的困境仍在继续。

尽管如此，还是取得了相当多的经验，并从当时所犯的错误中吸取了很多教训。

EBR-Ⅱ运行至1994年，是INL储存HALEU的来源(图片：INL)

例如，在美国，实验增殖反应堆Ⅰ(EBR-Ⅰ)和钠反应堆实验(SRE)都遇到了问题。由阿贡国家实验室设计的EBR-I旨在验证核物理理论，表明增殖反应堆应该是可能的。

1955年，在一次冷却剂流量测试中，反应堆发生了部分熔毁，该测试旨在确定反应堆对冷却剂流量变化做出意外反应的情况。

随后对其进行了修复，以进行进一步的实验，实验确定燃料棒和支撑燃料棒的厚板的热膨胀是反应堆意外反应的原因。

后来，原子能国际公司在加州西米谷附近的圣苏珊娜现场实验室(Santa Susana Field Laboratory)建造的SRE发生了一起更严重的事故。

1959年7月，当反应堆43个燃料元件中的13个部分熔化时，反应堆发生了部分熔毁，导致放射性气体释放到大气中。

该反应堆于1960年至1964年间进行了维修和试运行，并配备了新的反应堆堆芯。

然而，当地社区继续关注该事件可能对健康和环境造成的影响，2009年，美国能源部(DOE)最终同意举办一次社区研讨会，以讨论这一情况。

事件的结果是，SRE发生了关键变化——钠系统得到了修改，仪表得到了改进，燃料元件几何结构也得到了修改。

在英国，杜恩雷的原型快堆(PFR)于1974年达到临界状态，并于1975年开始供电，在达到满功率之前面临许多延迟和可靠性问题。

其中包括1974年和1975年钠/水蒸汽发生器泄漏导致一个冷却回路和两个冷却回路关闭时，三个冷却回路出现问题。

在法国，运营了15年的Rapsodie发生了两次泄漏——1978年的一次钠微泄漏，小到从未被发现，1982年的氮气泄漏。

Phe´nix运行了20年没有问题，但在20世纪90年代初出现了许多无法解释的行为，包括大功率瞬变。

因此，它在1991年至1994年间多次关闭，大部分时间处于离线状态。

1994年至2002年间，它重新获得了认证，并进行了重大翻新。

SuperPhe´nix作为商业FNR，在电力输出方面表现令人失望。它的液态钠冷却系统也受到腐蚀和泄漏的影响，尽管这些问题在1996年得到了解决，当时它达到了90%的额定功率。

尽管如此，在其11年的运行期间，由于技术问题以及政治和行政问题，该厂仅正常运行了53个月(大部分为低功率)。

1973年，在俄罗斯，BN-350在蒸汽发生器因焊接不良发生故障时，发生了严重的钠火灾。

反应堆停堆维修了四个月。在BN-600的早期，有27次钠泄漏和12次蒸汽发生器泄漏。

最后一次事故发生在1994年。没有一次事故导致紧急情况，也没有一次阻止核电站在维修后重新启动。

文殊快堆(图源：网络)

日本的常阳和文殊FNR都遭遇了一些事件。

2007年，一个测试组件被卡在常阳反应堆容器中，必须设计特殊设备来取回它，最终在2014年才完成。

1994年达到临界状态的文殊快堆，在1995年因钠冷却剂泄漏和火灾而关闭。

反应堆于2010年重新启动，但三个月后，在换料大修期间，一台燃料装卸机意外落入反应堆中，反应堆被关闭。

在印度，由于技术问题，快增殖试验反应堆(FBTR)在1987年至1989年间关闭。

发生了两起重大事件——1987年的一次燃料处理事件和2002年净化舱的一次钠泄漏，以及三起反应性事件(1994年、1995年和1999年)。

然而，所有这些事件都有助于在FNR技术和操作方面积累越来越多的经验。

表2：运行中的快堆

表3：正在建设或正在开发的快堆

虽然到20世纪90年代，欧洲和美国的FNR发展实际上已经停止，但俄罗斯、中国和印度的FNR仍在快速发展，目前有五个FNR正在运营(见表2)，另有五个FNR正在开发中(见表3)。

4、俄罗斯发展

俄罗斯Rosatom的BN-350 FBR(图源：NEi)

俄罗斯在快堆技术领域处于领先地位，也在这方面支持中国。

在苏联，为了避免铀短缺，1949年制定了快堆设计，并在奥布宁斯克的物理与动力工程研究所(IPPE)启动了快堆开发计划。

1955年，BR-1(Bystry Reactor-1)临界组件在IPPE投入使用，以金属钚为燃料，不使用冷却剂。

BR-2于1956年开始使用，冷却剂为液态汞。然而，即使在低温下，金属钚燃料在辐照下也不稳定，汞从管道接头泄漏并腐蚀了钢包层。

1959年，BR-2被替换为用液态钠冷却并以二氧化钚为燃料的BR-5。

1973年，其功率增加到10MWt(BR-10)，1983年，重建和容器更换显著提高了其安全性，一直运营到2004年。

1969年，位于乌里扬诺夫斯克附近的季米特洛夫格勒的原子反应堆研究所(NIIAR)对钠冷却BOR-60进行了调试，其功率容量为60MWe。

振动填充燃料和其他快堆燃料已在该反应堆中进行测试，该反应堆仍在运行，并已广泛用于燃料和结构材料的国际研究项目。

它最初的设计使用寿命为20年，但自1988年以来，其使用寿命已多次延长，分别为30年、40年和45年。

它很快将被新的多用途快中子增殖研究反应堆(Mnogotselevoy bystryy issledovatelskiy Reactor–MBIR)所取代，该反应堆已经在NNIAR建造，这将是世界上最大的快中子研究反应堆。

MBIR将能够测试铅、铅铋和气体冷却剂，并计划成为一个国际研究中心的基地。

Rosatom已将该设施的实际启动时间安排在2026年，发电厂将在2027年，比原定时间提前一年，并表示将于2028年向国际合作伙伴提供研究项目。

俄罗斯第一个快中子(bystryy neytron-BN)动力反应堆BN-350于1972年在哈萨克斯坦阿克套启动。

许多专家组织在IPPE作为科学领导者的情况下参与了该项目。

机器制造开发设计局领导反应堆的建造，开发设计局提供设备，全俄罗斯电力工程技术科学研究设计院是总设计师。

其1,000MWt的产量中约有一半用于海水淡化，还产生了130 MWe的电力。

它还充当了快堆技术和燃料大规模测试的实验基地，设计寿命为20年，1993年后，它通过每年的执照更新进行运营。

1995年运营许可证到期后，该公司继续运营，直到1999年关闭。

甚至在BN-350开始运行之前，作为FNR商业化的一步，已经制定了一个更强大的反应堆的计划。

BN-600建造于别洛雅尔斯基(Beloyarsk)核电站3号机组，于1980年开始运行，1982年成为世界上第一个商用快中子反应堆。

它已定期升级，其运行寿命于2010年延长至2020年，然后再延长五年。现在正在准备进一步延期。

BN-600拥有俄罗斯所有核电机组中最好的运行和生产记录。

大型商业快堆BN-800的计划已经到位，1984年开始在别洛雅尔斯基核电站4号机组建造。

然而，1986年切尔诺贝利核电站事故后，工程被冻结，1991年苏联解体后，由于财政崩溃，工程进一步推迟。

1983年开始的核电站设计，在1987年切尔诺贝利核电站事故之后进行了彻底修改，为了满足新的安全指南，在1993年进行了一次较小的试验。

2006年恢复建设，最终于2016年开始运营。

最初，它使用了基于80%氧化铀和20%混合氧化铀钚(MOX)的混合燃料，包括芯块和振动填充型。MOX的数量逐渐增加，到2022年，已构成整个核心。

别洛雅尔斯基核电站5号机组预计将拥有更大的BN-1200快中子反应堆。

它将包括许多技术升级，预计将于2035年开始运营。预计2022年底将做出最终决定。

与此同时，Brest-OD-300反应堆于2022年7月开始建造，该反应堆被视为BN快堆系列的可能继任者。

它在540℃时的容量为700MWt(300MWe)，以铅作为主要冷却剂和超临界蒸汽发生器。

没有武器级钚可以生产，因为没有铀覆盖层，所有的繁殖都发生在核心。

初始堆芯将包括钚和乏燃料，包括放射性“热”裂变产物。

2014年9月，NA Dollezhal电力工程研究与发展研究所(Nikiet)完成了布雷斯特反应堆(采用铅冷却剂)的工程设计。

Rosatom表示，Nikiet的25多个部门与35个其他核工业组织一起参与了技术设计项目。

BREST-300的设计工作已经完成(图源：NIKEET)

Brest-OD-300反应堆是俄罗斯西伯利亚化学联合公司(SCC)在塞弗斯克建造的试点示范发电厂(ODEK)的一部分，是Proryv(“突破”)项目的一部分。

自2011年以来，SCC一直在实施Proryv项目，以展示封闭式燃料循环技术。

ODEK将包括另外两个独特的设施：一个用于制造和再制造混合浓铀钚氮化物(MNUP)燃料的模块，以及一个用于再处理和再循环辐照燃料的模块。

MFR是目前接近完工的第一个此类反应堆，计划于2023年启动。燃料后处理模块的建造计划于2024年开始。所有ODEK设施的调试预计将于2029年开始。

5、在俄罗斯支持下的中国

中国的CEFR快堆(图源：NEi)

中国在俄罗斯的支持下，于1964年开始研发快中子反应堆。

1987年，建设FNR项目首次被纳入中国国家高科技发展计划，位于北京附近的中国原子能研究院(CIEA)被任命为牵头机构。

为了最大限度地降低成本，中国决定让外国各方参与，并于1992年开始与俄罗斯就该项目开展合作。

1995年，俄罗斯原子能部(Minatom)与中国核能工业公司(CNEIC)签署了一份《开发实验性钠冷快堆领域合作机构间协议》。

2000年5月，中国实验快堆(CEFR)的第一个混凝土浇筑完成，2002年，俄罗斯和中国签署了一份正式的政府间协议，以合作建设和运营该反应堆。

俄罗斯OKBM Afrikantov与OKB Gipropress、Nikiet和Kurchatov研究所合作建立了CEFR。

2010年，20 MWe/65MWt CEFR实现了首次临界，并于2011年并网。

CEFR操作人员使用OKBM、IPPE和NIIAR的BOR-60测试设施接受了培训。

CEFR的运行为大型快堆铺平了道路。600MWe机组目前正在建设中，随后将建设一座1000MW发电厂。

CFR-600快堆图(图源：CNNC)

2017年12月，600MWe(1500MWt)示范CFR-600的第一批混凝土浇筑在福建霞浦举行。ZiO Podolsk正在为蒸汽发生器提供热交换模块。

Rosatom的燃料公司TVEL和中国公司CNLY(中国核工业集团公司的一部分)于2018年签署了一份为CFR-600反应堆提供核燃料的合同。

为了履行合同，俄罗斯位于埃列克特罗斯塔尔的Mashinostroitelny Zavod(MSZ)于2021升级了其快堆燃料生产设施，并委托了一个新的生产场地用于CFR-600燃料的批量生产。

6、印度发展

在印度，原子能部(DAE)对FNR的兴趣始于20世纪50年代，当时考虑到印度的铀储量有限，提出了三阶段战略来扩大核能。

然而，它确实有大量的钍储量，并使用不同的反应堆类型，采用涉及铀和钍的分阶段计划。

DAE于1965年在巴巴原子研究中心(BARC)启动了一个快堆项目。

印度随后决定与一个在FNR技术方面有经验的国家合作。法国提供了支持，并于1969年签署了一项双边协议。

快速增殖试验反应堆(FBTR)的设计主要基于法国的Rapsodie，并进行了一些修改。

DAE于1971年批准了预算，1972年在卡尔帕克卡姆的英迪拉·甘地原子研究中心(IGCAR)开始建造FBTR。除格栅板、一个控制棒驱动机构和一个一级钠泵外，所有部件均为国产。

由BARC和IGCAR联合设计、建造和运营的FBTR于1985年投入运行。

该反应堆设计为使用混合钚-碳化铀作为驱动燃料供能40MWt和13.2Mwe，它的运行因几起事故而中断，造成了长时间的延误，很少以设计容量运行，并在1987年至1989年间因技术问题而关闭。

从1989年到1992年，该堆以1MWt运行。

1993年，功率水平提高到10.5MWt。

2005年，FBTR的燃料循环结束，燃料再处理结束，功率逐渐增加，至2018年达到的最大32 MWt。

2022年3月，更换堆芯后，首次达到40 MWt的设计功率水平。

2011年，印度宣布FBTR将延长20年运行时间，至2030年。

印度还在IGCAR完成一个500MWe钠冷原型快增殖反应堆(PFBR)。Bhavini于2004年开始建设，这是一个由DAE设立的专用项目，旨在实现该项目，监督印度未来FNR的建设和运营。

IGCAR和Bhavini目前正在为新的600MW We商用快堆(CFBR)设计进行详细的工程研究。

为准备建造两座商业FBR，IGCAR正在建造现场装配车间和变电站。DAE还打算在不同的地点再开发四个FNR，并成立了一个“地点选择委员会”。

7、欧洲和美国重新重视

通过合作项目和政府对私营公司倡议的支持，欧洲和美国对FNR的兴趣正在恢复，但仍处于设计阶段。

通过第四代国际论坛(GIF)等举措，正在国际一级协调六个反应堆概念的研发。

它汇集了13个国家(阿根廷、澳大利亚、巴西、加拿大、中国、法国、日本、韩国、俄罗斯、南非、瑞士、英国和美国)以及代表27个欧盟成员国的欧洲原子能组织。

GIF选择的用于进一步研发的反应堆技术包括三种FNR类型——气冷快堆(GFR)、铅冷快堆和钠冷快堆。

在欧洲，可持续核能技术平台(SNETP)为FNR确定了自己的战略和优先事项，这些FNR在供应安全、可持续性和经济竞争力方面最有可能满足欧洲的长期能源需求。

此外，欧洲钠快堆-安全措施评估和研究工具(ESFR-SMART)项目(2017-2021)是之前欧洲SFR概念的最新体现，即EFR(1990-2000)和CP-ESFR-欧洲钠快堆合作项目(2008-2012)。

考虑到从福岛事故中吸取的教训，为第四代反应堆设想的安全目标，以及为推动ESFR-SMART的发展而制定的指南。

至于美国，美国能源部表示，其快堆计划“侧重于基于科学的研究，支持提高快堆技术的性能和经济竞争力，并提供经验证的实验和运行数据支持快堆许可案例”。

为准备建造两座商业FBR，IGCAR正在建造现场装配车间和变电站。DAE还打算在不同的地点再开发四个FNR，并成立了一个“地点选择委员会”。

美国快堆计划的一个关键组成部分是阿贡国家实验室的机械工程试验回路设施(METL)，这是一个中等规模的液态金属实验设施。

自2018年以来，美国能源部一直使用METL测试工业鉴定的快堆组件，并将继续“进行实验，以产生对多个快堆开发者有用的结果”。

美国能源部表示，美国“通过参与众多国家和国际基准项目，参与了许多代码验证和验证任务”。

它“正在开发几种先进的快堆燃料形式以及工具和方法，以加快这些燃料在先进反应堆设计中的使用资格”。

美国能源部表示，多用途试验反应堆(VTR)“是一个重要的基础设施，可以与示范反应堆协调工作，帮助我们发现、测试和推进创新核能技术，帮助我们的星球实现零碳排放”。

2022年7月，美国能源部发布了在爱达荷州国家实验室(INL)建造钠冷却快速试验反应堆的决定记录(ROD)。

美国能源部指出：“如果国会批准，多用途试验反应堆(VTR)将是近三十年来在美国运行的第一个快谱试验反应堆。”

核能部助理部长Kathryn Huff博士表示：“将快中子试验源带回美国是我们向未来无碳经济转型的一项投资。现在我们已经完成了决策过程中的这一重要步骤，我期待着与国会合作，获得有朝一日使VTR成为现实所需的资金。”

尽管国会没有为VTR提供2022财年的资金，但DOE已要求2023财年的资金帮助将项目推进至设计阶段。

美国能源部于2018年建立了VTR计划。该团队包括来自六个国家实验室、19所大学和九个行业合作伙伴的专家。

美国能源部指出：“一旦建成，VTR将产生更高的中子通量，以测试核材料，比美国目前的能力快10倍。这种测试能力只存在于今天的俄罗斯。”。

今天，原子能机构通过分享信息和经验、协调研究项目、技术出版物、技术工作组和国际会议，在支持快堆开发和部署方面发挥着关键作用。

其创新反应堆和燃料循环国际项目(INPRO)也通过支持各国的规划和合作，帮助推动快堆的开发和部署以及相关的燃料循环。

虽然欧洲和美国对FNR重新产生了兴趣，但目前为止，这仅限于设计讨论，如GIF、SNETP和美国VTR，或由有限的政府资金支持的私人公司倡议。

8、国家支持

在一个日益关注有限能源供应、全球变暖和环境问题的世界，FNR的优势是显而易见的。

它们为燃料的多次再利用提供了前景，并提供了一种燃烧危险的高浓度废物的方法，同时还能生产清洁的电力。

俄罗斯的BN反应堆已经证明了钠冷却FNR的商业可行性，而其铅冷却布雷斯特反应堆和相关的ODEK项目正在进行中，以证明基于FNR的完全封闭燃料循环的可行性，在该循环中，特别开发的燃料可以回收，废物可以在单个地点再处理。

然而，FNR如果想进一步发展，就如一般的核电发展那样，不能由私人倡议，需要政府的认真承诺。

过去三十年来，FNR技术和部署方面唯一真正的进步发生在印度、中国，尤其是俄罗斯，这并非巧合。

在这些国家，国家对此类雄心勃勃的计划的支持是一贯的。