第11章 核电科技工程的展望

核电站技术发展的核心在于核岛。当前全世界核电站广泛采用热中子引发裂变的堆型，无论是压水堆，沸水堆或重水堆，都已相当成熟。美国（另有法德联合）正开发单堆功率60万千瓦的第二代动力堆，仍是这种堆型，只是通过充分利用被动安全性和简化设计，进一步提高安全性和降低建设成本。可以认为，以水为载热剂的热中子堆在今后二三十年乃至更长时间内仍将在核电中占重要地位。但是这种堆型有两大问题，一是燃烧的主要是一部分铀-235，资源有限，铀利用率却又很低，即使将乏燃烧循环浓缩与钚一起再作燃料，总利用率也只有1%左右。二是产生的大量高毒性长寿命裂变产物和“非钚超铀元素”，难以处置。

为解决这些问题，已开发研究新的堆型。快中子增殖堆用贫铀与钚作混合装料（钚占15%）以液态金属钠为载热剂。这种堆中的裂变谱中子（平均能量为2MeV）基本上未经慢化而引发铀-钚裂变，与热中子堆中铀-235燃烧为主相比，有几点有利情况：1.每次裂变的二次中子数多于2.5（接近3.0）。

2.消耗于无益俘获反应的中子所占的比例较小。

3.铀-238裂变的份额增加。

4.非钚超铀元素在快中子作用下，也可用作燃料，用量可达钚的15%～30%。此种堆中铀-238转成钚-239的量大于同时期燃烧掉的钚-239量，形成了“增殖”。快堆的乏燃料还可经循环处理除去废料（主要是较短寿命的裂变产物），提取出U-Pu再燃烧，这样铀的总利用率可提高到70%。全世界建成过22座快堆，目前有10座在运行，其中能发电的有8座，均属于原型性或经济验证性，尚未进入商用阶段。随着铀富矿开采渐尽而铀价升高，热堆难以为继，以及快堆技术进一步完善、建堆成本下降，可以预期快堆发电必将进入商业化。我国已着手建造一座6.5万千瓦热功率/2.5万千瓦电功率的实验性快堆电站，预计20年后应可进行商业开发，21世纪20年代起将逐渐依靠快堆为主来增加我国的核能发电。

高温气冷堆是另一类安全性高和用途广泛的热中子堆型，可以允许建在城市附近。它以氦气为载热剂，石墨为慢化剂，燃料除用低浓铀外，还可使用铀-钍混合装料。堆芯氦气出口温度最高可达950℃，既可推动燃气轮机发电或作为高温热源，也可通过发生蒸汽发电供热。我国1万千瓦实验型高温气冷堆的建造已于2005年开始，预计2010年建成，届时可发电30000千瓦。

最近几年，国际、国内核科技界热烈探讨“放射性洁净核能”问题，中心议题是“加速器驱动的核电站”的新概念，其基本思想是：用一中能加速器提供1000～1500MeV的毫安级质子束，打到放在次临界快堆中心的重金属（如铅）上使之发生散裂反应，每个质子产生20～30个左右、平均能量十几MeV的中子，形成一个强中子源。这些高能中子使次临界堆的核燃料裂变，并使中子倍增至约20倍，形成稳定的高通量密度。堆中的铀-238或钍-232除增殖成钚-239或铀-233外，稳定地释放大量裂变能。电站发生的电量小部分供给加速器，大部分可以上网。这种装置具有快堆电站所有优点（包括长寿命放射性废物的擅变），而安全性更优于快堆。这是因为加速器可根据安全的需要在微秒内完全切断质子束流，驱动反应堆运转的中子源因而立即停止产生中子，堆中裂变反应随即停止。当然，从概念论证到工程实施，有很长的攀登路程，研究费用也是巨大的，目前我国已酝酿开展相关的理论研究及计算机模拟，具体的技术跟踪也将逐渐起步。

聚变堆虽有无比丰富的燃料资源，一旦成功，确实可从根本上解决人类的能源问题，但因难关太多，据预测要到2050年才能投入商业运行。对于具有如此重大意义的工作，我国也已量力而行地开展了磁约束聚变和惯性约束聚变等基础科研，并取得了可喜的进步。等到时机成熟，我国一定会迎头赶上。