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中国微堆技术交出完美成绩单

我国科学家成功将微堆中的核燃料富集度从90%降至12.5%,并实现满功率运行。这一被写入《中美核安全合作联合声明》的重要进展,也被认为是中国向第四届世界核安全峰会献上的一份贺礼——

■本报记者 陆琦

没有散热塔,没有高耸的烟囱,更没有建筑群,一个高压锅大小的核反应堆堆芯只身“藏”在中国原子能科学研究院的一层实验楼里。

就是这座名副其实的“微堆”,最近吸引了全世界的目光。它在圆满完成低浓化改造后,于3月26日首次实现满功率运行。这一重要进展被写入《中美核安全合作联合声明》,也被认为是中国向第四届世界核安全峰会献上的一份贺礼。

受限于高浓燃料的微堆

微堆是微型中子源反应堆的简称,具有小型化、易操作、功率低、固有安全性好等优点,可建在大中城市人口稠密的大学和研究机构内,主要用于中子活化分析、少量同位素生产等。

其中,微堆的中子活化分析技术还曾帮助历史学家解决了一个困扰他们很久的难题。“2003年,我们在微堆上利用中子活化分析等一系列现代专业技术手段,破解了清朝皇帝光绪的死因,揭开了困扰史学界100年的谜团。”原子能院微型反应堆研究室主任李义国介绍说。

原子能院微堆的研究建造可追溯到上世纪80年代。经过多种物理设计方案的理论计算和零功率实验验证,1984年3月,原子能院自主开发设计建造的我国第一座微堆顺利建成并投入满功率运行。

“过去,我们的微堆使用武器级的高浓铀作为燃料。燃料棒一旦流失,就可能造成核材料扩散的威胁。”李义国向记者展示的微堆燃料棒非常小巧,拿在手里就像一支笔。

正是由于微堆所用燃料的特殊性,这种精致的核技术在推广中一直受到限制。

“受到国际大环境、燃料低浓化和应用多样化等研究堆发展趋势的影响,我国设计建造的高浓铀微堆受到国际原子能机构的高度重视。该机构多次提出,希望微堆燃料实施低浓铀转化。”在李义国看来,微堆低浓化改造已成为象征人类在追求核安全道路上不断向前探索的风向标。

从堆芯设计开始的低浓化攻关

其实,原子能院早在十几年前就开始考虑微堆低浓化问题。“当时,国际上大堆的低浓化已做了很多。我们也开始探索一些技术性工作,对微堆燃料低浓化进行了初步的分析和计算。”李义国告诉记者。

从2006年开始,原子能院多次参加国际原子能机构组织的微型反应堆低浓化会议。鉴于原子能院在微堆研发方面的成熟技术,国际原子能机构建议首先在原子能院微堆上进行高浓铀的低浓化转换实验。

2011年年底,国家原子能机构批准原子能院与美国能源部阿贡实验室合作,对原子能院微堆进行低浓化改造,卸下微堆高浓铀堆芯,装入低浓铀燃料堆芯。

微堆低浓化改造涉及堆芯物理设计、结构设计、燃料组件设计制造、装卸料、乏燃料管理、反应堆实验调试等诸多环节。“堆芯设计是最难的。”李义国说,“由于低浓铀堆芯的燃料芯体和包壳材料与之前的不同,其热工、物理性能等也均有较大不同,须重新进行物理、热工和结构设计,且只能在原有小尺寸的堆芯空间内作出合理调整,从而使设计难度大大增加。”

经过5年左右的攻关,原子能院成功地将微堆中的核燃料富集度从90%降至12.5%,并实现满功率运行。

“试验参数完全符合设计要求,标志着我们完全掌握了微堆低浓化的技术。”国家原子能机构秘书长刘永德表示,基于这一成果,中国微堆技术已被国际原子能机构定义为全球3种具有固有安全性的核能设施之一。

中国工程院院士周永茂表示,微堆低浓化以后,除保证了安全性、提高了使用性能以外,应用也更为广泛,比如可应用到与百姓关系更加密切的治疗癌症的医疗装置中。

“走出去”的先行者再出发

虽然原子能院的微堆低浓化改造已圆满完成,但考虑到核不扩散问题,中国正不遗余力地开展全球微堆低浓化工作。

“微堆是中国反应堆‘走出去’的先行者。”李义国告诉记者,我国的微堆在研制完成后从上世纪80年代末开始迈出国门,在多个国家作为核能研究设施落地,并发挥了重要作用。截至目前,原子能院已为巴基斯坦、加纳、尼日利亚等国建设了微堆。

如今,中国微堆技术迎来了再次走出国门的机会。

“2004年9月,我们与国际原子能机构和加纳签订了加纳微堆低浓铀供应协议,目前正全力推进项目的进行。”李义国的脑子里存着一张时间表:今年6月完成低浓铀燃料加工,7~8月完成零功率实验,年底完成低浓铀装料和调试。

加纳微堆是原子能院于1995年通过国际原子能机构为加纳设计、建造的该国第一座研究堆。今年7月,加纳相关技术人员还将来华接受低浓铀微堆培训。而尼日利亚的微堆低浓化工作也已提上日程。

“微堆低浓化改造成功是中国为防止核扩散、加强核安全作出的实实在在的贡献。”李义国自豪地说。

《中国科学报》 (2016-04-06 第1版 要闻)

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