微堆低濃鈾改造 打造“加納模式”

第二看台

8月29日凌晨五點，河北石家庄正定國際機場。載有我國首座海外商用微堆高濃鈾燃料的專機緩緩降落，卸載燃料容器、裝車、押運，最終高濃鈾燃料順利運抵中核集團中國原子能科學研究院（以下簡稱原子能院）。

至此，中核集團加納微堆低濃化改造項目完美收官。22年前離開原子能院前往加納的高濃鈾燃料完成它的歷史使命，終於“回家”了。

為什麼要進行微堆低濃化改造？如何實現低濃化改造？改造的難點在哪？微堆和我們的生活有沒有關系？記者就這些問題採訪了相關人士。

從堆芯設計開始的低濃化攻關

微堆是微型中子源反應堆的簡稱。

上世紀70年代末80年代初，原子能院開始對微堆進行研究。1984年3月，原子能院自主開發設計建造的我國第一座微堆順利建成並投入滿功率運行。1985年，原子能院開始進行商用微堆的定型設計。

“過去，我們微堆使用武器級的高濃鈾作為燃料。燃料棒一旦流失，就可能造成核材料擴散的威脅。”原子能院微型反應堆研究室主任李義國說，由於所用燃料的特殊性，微堆在推廣中一直受到限制。

受國際大環境等多因素影響，國際原子能機構（IAEA）多次提出，希望微堆燃料實施低濃鈾轉化，並建議首先在原子能院微堆上進行高濃鈾的低濃化轉換實驗。

原子能院微堆的每一根燃料元件的直徑僅有5毫米，每兩根元件間隙隻有5.48毫米，這些燃料元件被放置在實驗用的“鳥籠架”內。“鳥籠架”是直徑240毫米、高270毫米的狹小空間，也就是該堆的堆芯。

微堆低濃化是在不改變堆芯尺寸的情況下，將高濃鈾組件換成低濃鈾組件，並滿足微堆應用。改造后的微堆可以滿足原微堆的所有功能，同時固有安全性能更好，燃料使用壽命更長。但微堆低濃化改造涉及堆芯物理設計、結構設計、燃料組件設計制造、裝卸料、乏燃料管理、反應堆實驗調試等諸多環節。

“堆芯設計是最難的。”李義國說，“由於低濃鈾堆芯的燃料芯體和包殼材料與之前的不同，其熱工、物理性能等也均有較大不同，須重新進行物理、熱工和結構設計，且隻能在原有小尺寸的堆芯空間內作出合理調整，從而使設計難度大大增加。”

經過5年攻關，2016年3月，原子能院微堆燃料棒鈾235富集度從90%降至12.5%，實現了從高濃鈾向低濃鈾的完美蛻變。

而這，只是加納微堆低濃化工作的開始。

國際合作的加納模式

因為固有安全性極高，結構簡單、使用方便、對環境幾乎不產生影響，微堆是目前我國出口最多的堆型。

加納微堆是由原子能院於1995年設計建造的一座高濃鈾微堆。2014年，在IAEA協調下，由加納、中國和美國共同參與，開始實施微堆低濃化工作。其中我國主要負責燃料和技術工作。

李義國告訴記者，加納微堆低濃化項目最關鍵的兩大問題，一是高濃鈾轉化為低濃鈾的核心技術﹔二是燃料的運輸，包括低濃鈾燃料由我國運往加納，高濃鈾燃料由加納運回我國。

隻有高壓鍋大小的低濃鈾燃料，燃料容器卻重達一百五十多公斤，與之相配套的工具多達200多種，每一樣都要仔細核對、報關、清點出關，全部報關文件摞起來有四五本漢語辭典的厚度，工作細致繁復可想而知。

國家原子能機構副主任王毅韌說，作為國外首個開展低濃化改造的微堆，加納微堆低濃化項目沒有先例可循，協調難度很大，監管要求嚴，安全標准高，技術環節多。

“這種多方協作的模式，我認為是加納模式的核心之一。”原子能院副院長劉森林說。

小小微堆大威力

在業內，微堆也被稱“傻瓜堆”，因為它類似一個實驗儀器，操作簡單，但用途不少。

2008年，微堆展示大威力，它與央視、清西陵及北京市法醫檢驗鑒定中心等共同揭開了困擾史學界的百年謎案——清光緒帝之死因。

該專題研究由光緒帝遺物發辮入手，歷時五年，利用微堆中子活化分析技術測試了發辮中砷的含量，並結合其他技術手段，經科學研究分析測算表明光緒的頭發截段和衣物上含有劇毒砒霜，而其腐敗尸體僅沾染在部分衣物和頭發上的砒霜總量就已高達約201毫克。

在大中城市人口稠密的大學和研究機構內，不乏微堆身影。深圳微堆建成后，利用中子活化法填補了深圳微量元素質檢方面的某些空白。當時，隨著珠三角現代工農業的迅猛發展，大量人工合成有機化合物被引入到自然環境中，包括一系列有機鹵素污染物，這些鹵素污染物有致癌、致畸、致突變的風險。借助微堆，深圳較早就對本市的大氣和土壤環境進行檢測，實時掌握深圳大氣和土壤中的污染程度，並及時採取措施。（記者陳瑜）