中国快堆：解决300年的能源问题

10月31日，国家高技术研究发展计划（“863”计划）重大项目中国实验快堆工程顺利通过科技部组织的专家验收。实验快堆的建成，标志着我国核能发展“压力堆―快堆―聚变堆”三步走发展战略中的第二步取得了重大突破，也标志着我国在四代核电技术研发方面进入国际先进行列，已成为世界上少数拥有快堆技术的几个国家之一。

同日，国防科技网公布消息。国内首台1000kW高温超导电机10月16日在京通过科技部项目验收，这标志着我国已经具备了兆瓦级高温超导电机设计、制造能力，成为国际上少数几个掌握高温超导电机关键技术的国家之一。



高温超导电机

快堆才是真正的核电站

就此前的技术水平而言，世界上可经济开采的铀资源只相当于世界石油贮量的1/4。因此，利用原先的热中子反应堆发电无法根本解决人类无限需求的能源问题。因此目前的核电站实际上都在消费不多的富集铀矿，一代人内即将遇到资源瓶颈，不可以长久依靠。

一些主要国家和地区在2005年的铀产量和需求量

造成这一现实的主要原因是既有核电站技术对核燃料的利用效率太低。在天然铀中，仅有0.714%的铀同位素——铀－235，能够在热中子的作用下发生裂变反应，而占天然铀绝大部分的铀同素——铀－238却不能在热中子的作用下发生裂变反应。

但铀－238在吸收中子后，经过几次核衰变，可以变成另一种可裂变的核材料钚－239。如果能让新产生的核燃料抵偿消耗的核燃料。核电站的效率就可以得到明显提升。在目前的核电站中，慢中子产生的钚－239的数量不足以抵偿消耗的铀－235。

只有利用快中子来维持链式反应，新产生的可裂变材料才可能多于消耗的核燃料。这种主要由快中子来引起裂变链式反应的反应堆，就叫做快中子反应堆（简称快堆）。快堆中常用的核燃料是钚—239，而钚—239发生裂变时放出来的快中子会被装在反应区周围的铀－238吸收，又变成钚—239。这就是说，在堆中一边消耗钚—239，又一边使铀－238转变成新的钚—239。新生的钚—239比消耗掉的还多，从而使堆中核燃料变多。反应开始循环持续下去。



只要不断添加铀－238，钚－239就能不断产生出来，所以只要将这些新产生出来的核燃料，通过后处理不断提取出来，则快堆核电站每过一段时间，它所得到的钚－239，还可以装备一座相同规模的快堆。这段时间称为倍增时间。倍增时间除了决定于反应堆内钚－239的生成速度外，还决定于后处理提取钚，并将钚制成燃料元件所需的时间，以及库存时间。

经过一段倍增时间，l座快堆会变成2座快堆，再经过一段倍增时间，这2座快堆就变成4座。按照目前的情况快堆使用的核燃料多为氧化物，它的倍增时间是30多年。也就是说，只要添加铀－238，每过30多年，快堆核电站就可翻一番。只要这种氧化物核燃料快堆稍加改进，倍增时间就可缩短到20年左右。如果我们将快堆的核燃料由氧化物改为碳化物，则快堆的倍增时间可以缩短到10多年。如果改为金属型核燃料，则倍增时间还可缩短到6～7年。

理论上快堆可以将铀－238、铀－235及钚－239全部加以利用。但由于反复后处理时的燃料损失及在反应堆内变成其他种类的原子核，快堆只能使60～70%的铀得到利用。即使如此，也比目前热堆中的压水堆对铀的利用率高140倍，比重水堆高70倍以上。然而由于贫铀、乏燃料、低品位铀矿乃至海水里的铀，都是快堆的“粮食”来源，所以快堆能为人类提供的能源，就不是比热中子反应堆大几十倍，而是大几千倍，几万倍，甚至更多。

从目前人类能源需求的增长速度来看，一旦快堆技术得到推广，至少今后三个世纪的能源供给将不再是问题。这段时间足够人类开发出真正的“无限能源”——核聚变电站。



2011年7月21日，中核集团公司宣布“中国实验快堆成功实现首次并网发电”

超导电机

高温超导材料在低温环境下具有零电阻特性，其载流能力远远优于普通铜导线，采用高温超导磁体的大容量高温超导电机具有转矩密度高和单机极限容量大等显著优势，其体积与重量分别为常规电机的1/2和1/3，具有重量轻、体积小、效率高、噪音小、易维护、操作灵活、单机极限容量大等优点。在船舶电力推进和新能源等领域具有广阔的应用前景。

1986年以来，高临界温度（液氮温区）超导材料的发现，为超导电机的实用化展现了新的前景。目前，世界上仅有为数很少的几个国家如美国,英国，日本和德国等，研制出了超导电机实体，但技术和应用范围都极其有限, 仅使用在大功率电气设备上。

船舶712研究所多年来一直从事超导应用研究工作，是在国内最早从事超导电机研究的单位。建立了高温超导电机专用设计分析体系，搭建了部分试验装置和测试平台，积累了宝贵的工程研制经验，培养和锻炼了一支包含低温制冷、电机设计、超导应用、系统与控制等专业齐全、业务精湛的研发队伍，具备了开展大容量实用化高温超导电机的研制条件。

本次 “1000kW高温超导电动机”研制，突破了高温超导电机的主要关键技术，样机已完成多工况试验，在500圈/分钟转速1000kW满载运行时，包括低温系统功耗在内的电机效率95%，技术指标达到设计要求，电机及低温系统运行稳定，总体指标达到国际先进水平。

（综合中国国防科技信息网、人民网）
原文链接：http://www.guancha.cn/Science/2012_11_01_107134.shtml10月31日，国家高技术研究发展计划（“863”计划）重大项目中国实验快堆工程顺利通过科技部组织的专家验收。实验快堆的建成，标志着我国核能发展“压力堆―快堆―聚变堆”三步走发展战略中的第二步取得了重大突破，也标志着我国在四代核电技术研发方面进入国际先进行列，已成为世界上少数拥有快堆技术的几个国家之一。

同日，国防科技网公布消息。国内首台1000kW高温超导电机10月16日在京通过科技部项目验收，这标志着我国已经具备了兆瓦级高温超导电机设计、制造能力，成为国际上少数几个掌握高温超导电机关键技术的国家之一。



高温超导电机

快堆才是真正的核电站

就此前的技术水平而言，世界上可经济开采的铀资源只相当于世界石油贮量的1/4。因此，利用原先的热中子反应堆发电无法根本解决人类无限需求的能源问题。因此目前的核电站实际上都在消费不多的富集铀矿，一代人内即将遇到资源瓶颈，不可以长久依靠。

一些主要国家和地区在2005年的铀产量和需求量

造成这一现实的主要原因是既有核电站技术对核燃料的利用效率太低。在天然铀中，仅有0.714%的铀同位素——铀－235，能够在热中子的作用下发生裂变反应，而占天然铀绝大部分的铀同素——铀－238却不能在热中子的作用下发生裂变反应。

但铀－238在吸收中子后，经过几次核衰变，可以变成另一种可裂变的核材料钚－239。如果能让新产生的核燃料抵偿消耗的核燃料。核电站的效率就可以得到明显提升。在目前的核电站中，慢中子产生的钚－239的数量不足以抵偿消耗的铀－235。

只有利用快中子来维持链式反应，新产生的可裂变材料才可能多于消耗的核燃料。这种主要由快中子来引起裂变链式反应的反应堆，就叫做快中子反应堆（简称快堆）。快堆中常用的核燃料是钚—239，而钚—239发生裂变时放出来的快中子会被装在反应区周围的铀－238吸收，又变成钚—239。这就是说，在堆中一边消耗钚—239，又一边使铀－238转变成新的钚—239。新生的钚—239比消耗掉的还多，从而使堆中核燃料变多。反应开始循环持续下去。



只要不断添加铀－238，钚－239就能不断产生出来，所以只要将这些新产生出来的核燃料，通过后处理不断提取出来，则快堆核电站每过一段时间，它所得到的钚－239，还可以装备一座相同规模的快堆。这段时间称为倍增时间。倍增时间除了决定于反应堆内钚－239的生成速度外，还决定于后处理提取钚，并将钚制成燃料元件所需的时间，以及库存时间。

经过一段倍增时间，l座快堆会变成2座快堆，再经过一段倍增时间，这2座快堆就变成4座。按照目前的情况快堆使用的核燃料多为氧化物，它的倍增时间是30多年。也就是说，只要添加铀－238，每过30多年，快堆核电站就可翻一番。只要这种氧化物核燃料快堆稍加改进，倍增时间就可缩短到20年左右。如果我们将快堆的核燃料由氧化物改为碳化物，则快堆的倍增时间可以缩短到10多年。如果改为金属型核燃料，则倍增时间还可缩短到6～7年。

理论上快堆可以将铀－238、铀－235及钚－239全部加以利用。但由于反复后处理时的燃料损失及在反应堆内变成其他种类的原子核，快堆只能使60～70%的铀得到利用。即使如此，也比目前热堆中的压水堆对铀的利用率高140倍，比重水堆高70倍以上。然而由于贫铀、乏燃料、低品位铀矿乃至海水里的铀，都是快堆的“粮食”来源，所以快堆能为人类提供的能源，就不是比热中子反应堆大几十倍，而是大几千倍，几万倍，甚至更多。

从目前人类能源需求的增长速度来看，一旦快堆技术得到推广，至少今后三个世纪的能源供给将不再是问题。这段时间足够人类开发出真正的“无限能源”——核聚变电站。



2011年7月21日，中核集团公司宣布“中国实验快堆成功实现首次并网发电”

超导电机

高温超导材料在低温环境下具有零电阻特性，其载流能力远远优于普通铜导线，采用高温超导磁体的大容量高温超导电机具有转矩密度高和单机极限容量大等显著优势，其体积与重量分别为常规电机的1/2和1/3，具有重量轻、体积小、效率高、噪音小、易维护、操作灵活、单机极限容量大等优点。在船舶电力推进和新能源等领域具有广阔的应用前景。

1986年以来，高临界温度（液氮温区）超导材料的发现，为超导电机的实用化展现了新的前景。目前，世界上仅有为数很少的几个国家如美国,英国，日本和德国等，研制出了超导电机实体，但技术和应用范围都极其有限, 仅使用在大功率电气设备上。

船舶712研究所多年来一直从事超导应用研究工作，是在国内最早从事超导电机研究的单位。建立了高温超导电机专用设计分析体系，搭建了部分试验装置和测试平台，积累了宝贵的工程研制经验，培养和锻炼了一支包含低温制冷、电机设计、超导应用、系统与控制等专业齐全、业务精湛的研发队伍，具备了开展大容量实用化高温超导电机的研制条件。

本次 “1000kW高温超导电动机”研制，突破了高温超导电机的主要关键技术，样机已完成多工况试验，在500圈/分钟转速1000kW满载运行时，包括低温系统功耗在内的电机效率95%，技术指标达到设计要求，电机及低温系统运行稳定，总体指标达到国际先进水平。

（综合中国国防科技信息网、人民网）
原文链接：http://www.guancha.cn/Science/2012_11_01_107134.shtml