今年3月4日，中國(guó)原子能科學(xué)研究院在微型反應(yīng)堆臨界裝置上開(kāi)展低濃鈾凈堆首次臨界實(shí)驗(yàn)，并安全達(dá)到臨界，這標(biāo)志著微堆燃料富集度從原先的90%降至12.5%是成功的，微堆低濃化工作由此進(jìn)入全面實(shí)施階段。

在隨后于荷蘭海牙舉行的第三屆核安全峰會(huì)上，中國(guó)亮出了自己的成績(jī)單，其中提到：高濃鈾低濃化改造是核安全峰會(huì)確定的加強(qiáng)國(guó)際核安保的重要措施之一，中國(guó)承諾愿意幫助有需要的國(guó)家開(kāi)展高濃鈾研究堆改造工作。“可以說(shuō)，現(xiàn)在中國(guó)掌握了技術(shù)，能夠?yàn)槠渌鼑?guó)家設(shè)計(jì)建造的高濃鈾微堆更換低濃鈾燃料。”中核集團(tuán)董事長(zhǎng)、黨組書(shū)記孫勤在海牙接受采訪時(shí)表示，中國(guó)在微型核反應(yīng)堆高濃燃料的低濃化改造方面取得積極進(jìn)展，對(duì)全球核安全進(jìn)程貢獻(xiàn)突出。

作為我國(guó)和平利用原子能的窗口，原子能院人從微堆研制、開(kāi)發(fā)到商業(yè)推廣應(yīng)用，經(jīng)歷過(guò)從艱苦創(chuàng)業(yè)到創(chuàng)造輝煌的歷程。近年來(lái)，隨著國(guó)際形勢(shì)發(fā)生變化，微堆低濃化改造已成為象征人類(lèi)在追求核安全的道路上不斷向前探索的一個(gè)風(fēng)向標(biāo)。而原子能院作為我國(guó)微堆研制、開(kāi)發(fā)的領(lǐng)軍者，注定將要再次迎接新的挑戰(zhàn)。

從自主研發(fā)到自主改造

原子能院微型反應(yīng)堆的研究建造可以追溯到上世紀(jì)70年代末、80年代初，當(dāng)時(shí)我國(guó)自行研制微堆的工作正全面展開(kāi)。在科技工作者的不懈努力下，經(jīng)過(guò)多種物理設(shè)計(jì)方案的理論計(jì)算和零功率實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，克服了一個(gè)又一個(gè)困難，1984年3月，原子能院自主開(kāi)發(fā)、研究、設(shè)計(jì)、建造的北京原型微堆順利建成并投入滿功率運(yùn)行。

1985年，原子能院開(kāi)始進(jìn)行商用微堆的定型設(shè)計(jì)，在原型微堆基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的商用微堆主要供大學(xué)、科研單位等進(jìn)行教學(xué)、活化分析、培訓(xùn)等。

原有微堆的燃料元件使用的是高濃鈾。近年來(lái)，由于受到國(guó)際大環(huán)境、燃料低濃化和應(yīng)用多樣化等研究堆發(fā)展趨勢(shì)的影響，我國(guó)設(shè)計(jì)建造的高濃鈾微型反應(yīng)堆受到國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）的高度重視，IAEA多次提出，希望微堆燃料實(shí)施低濃鈾轉(zhuǎn)化。

1995年，原子能院微堆室開(kāi)展了“微堆堆芯物理方案改善的探討”課題研究，對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)的微堆堆芯的物理特性進(jìn)行了分析、評(píng)估，探討了優(yōu)化堆芯的途徑，對(duì)微堆燃料低濃化進(jìn)行了初步的分析和計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，在不改變微堆堆芯和燃料元件基本幾何尺寸的前提下，最終設(shè)計(jì)出適宜于商用微堆堆芯尺寸的優(yōu)化低濃二氧化鈾陶瓷燃料方案，并對(duì)這種優(yōu)化堆芯的物理特性做了比較仔細(xì)的理論分析。

從2006年開(kāi)始，原子能院微堆室多次參加了IAEA組織的微型反應(yīng)堆低濃化會(huì)議，對(duì)微堆低濃化可行性進(jìn)行了計(jì)算和分析。2008年，鑒于原子能院在微堆研發(fā)方面的成熟技術(shù)，IAEA建議首先在原子能院微堆上進(jìn)行高濃鈾的低濃化轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)。

2010年9月，在IAEA的協(xié)調(diào)下，原子能院與美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室簽訂了微型反應(yīng)堆低濃化實(shí)驗(yàn)合同，合同于2012年4月生效。

從全力攻關(guān)到“趕鴨子上架”

微堆低濃化合同生效后，原子能院微堆室立即進(jìn)入攻關(guān)備戰(zhàn)階段，相繼組織開(kāi)展了微堆低濃鈾堆芯的物理設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等相關(guān)工作。微堆低濃化轉(zhuǎn)化即以低濃鈾燃料替代原有的高濃鈾燃料，轉(zhuǎn)化后還需利用原有筒體裝料運(yùn)行，要求堆芯尺寸不能改變。另外，為保證微堆的固有安全性，低濃鈾微堆后備反應(yīng)性須限制在3.5~4mk內(nèi)，這些條件對(duì)物理設(shè)計(jì)提出了很高的要求。

通過(guò)多次計(jì)算模型的驗(yàn)證，微堆室完成了優(yōu)化的低濃鈾堆芯物理設(shè)計(jì)，由于低濃鈾堆芯的燃料芯體和包殼材料與之前不同，其熱工、物理性能等均有較大不同，需重新進(jìn)行物理、熱工和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且只能在原有小尺寸的堆芯空間內(nèi)做出合理調(diào)整，從而增加了設(shè)計(jì)難度。通過(guò)反復(fù)的理論計(jì)算和力學(xué)分析，微堆室完成了既滿足物理設(shè)計(jì)要求，又滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的低濃鈾堆芯設(shè)計(jì)。

從設(shè)計(jì)成功到付諸現(xiàn)實(shí)還有很漫長(zhǎng)的一段路要走，尤其是對(duì)低濃鈾燃料的加工制造。低濃鈾燃料是核心部件，它的加工是否順利是微堆低濃化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在確定好加工制造單位之后，微堆室全體員工上下一心，開(kāi)足馬力進(jìn)入備戰(zhàn)階段。然而這時(shí)，新的問(wèn)題又出現(xiàn)了，由于種種復(fù)雜的原因，在很短的時(shí)間內(nèi)，堆芯元件加工制造的成本一下子上漲了近乎一倍。于是微堆低濃化零功率實(shí)驗(yàn)陷入了兩難的境地，一方面因缺少資金使得關(guān)鍵部件遲遲不能加工制造，另一方面上級(jí)下達(dá)的完成臨界日期不能改變。

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