加納微堆零功率實(shí)驗(yàn)首次臨界成功 系世界唯一

     據(jù)報(bào)道，7月27日上午，加納微堆（微型中子源反應(yīng)堆）低濃鈾堆芯在中國(guó)原子能科學(xué)研究院（簡(jiǎn)稱原子能院）成功實(shí)現(xiàn)零功率實(shí)驗(yàn)首次臨界。這是中國(guó)承擔(dān)的加納微堆低濃化改造項(xiàng)目中一個(gè)重要的里程碑節(jié)點(diǎn)，標(biāo)志著該項(xiàng)目中方負(fù)責(zé)的所有技術(shù)準(zhǔn)備工作均已完成，項(xiàng)目的關(guān)鍵步驟已經(jīng)取得成功。
　　
　同時(shí)，這也是繼我國(guó)在今年3月完成首座微堆高濃縮鈾低濃化改造、實(shí)現(xiàn)滿功率運(yùn)行后，在踐行國(guó)際承諾、推廣減少高濃鈾合作模式層面取得的又一項(xiàng)重大進(jìn)展，也是中國(guó)為世界反核恐怖主義、加強(qiáng)國(guó)際核安保作出的實(shí)實(shí)在在的貢獻(xiàn)。
　　
　中國(guó)目前是世界上唯一完全掌握微堆研究建造技術(shù)的國(guó)家。微堆不像傳統(tǒng)的核反應(yīng)堆，它沒有散熱塔，也沒有高聳的煙囪，堆芯只有高壓鍋大小。在業(yè)內(nèi)，微堆也被稱“傻瓜堆”，因?yàn)樗愃埔粋€(gè)實(shí)驗(yàn)儀器，操作簡(jiǎn)單，但用途不少，能進(jìn)行中子活化分析、核儀器探頭的考驗(yàn)、教學(xué)及培訓(xùn)、少量同位素生產(chǎn)等。
　　
　“微堆低濃化目的是在不改變堆芯幾何尺寸的前提下，將高濃鈾堆芯燃料替換為低濃鈾堆芯燃料?！痹幽茉憾压げ恐魅螚罴t義介紹，轉(zhuǎn)化后還需利用原有筒體裝料運(yùn)行。
　　
　協(xié)助加納實(shí)現(xiàn)微堆低濃化改造是我國(guó)政府落實(shí)第四屆核安全峰會(huì)上習(xí)近平總書記提出的“五大倡議”及《中美聯(lián)合聲明》重要行動(dòng)之一。中核集團(tuán)總工程師雷增光表示，中核集團(tuán)高度重視加納微堆低濃化項(xiàng)目，希望通過(guò)加強(qiáng)國(guó)際間緊密合作盡早完成項(xiàng)目。未來(lái)，中核集團(tuán)將會(huì)為促進(jìn)更廣泛的和平利用核能貢獻(xiàn)更大的力量。
　　
　該實(shí)驗(yàn)首次臨界的成功，是踐行中國(guó)政府對(duì)加納微堆低濃化改造項(xiàng)目的承諾，體現(xiàn)了各國(guó)在核不擴(kuò)散領(lǐng)域積極開展國(guó)際間合作的精神?！凹蛹{模式”也將為后續(xù)微堆低濃化以及核不擴(kuò)散國(guó)際間合作提供重要的經(jīng)驗(yàn)。
　　
　加納微堆是中國(guó)原子能科學(xué)研究院于1995年通過(guò)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)技術(shù)合作項(xiàng)目為加納設(shè)計(jì)、建造的該國(guó)第一座研究堆，采用高濃鈾為燃料，其建成為加納核技術(shù)人員的培訓(xùn)等工作發(fā)揮了積極作用。
　　
　2013年，經(jīng)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）、美國(guó)能源部（DOE）、加納和中國(guó)協(xié)商一致，由中國(guó)牽頭承擔(dān)對(duì)加納微堆進(jìn)行低濃化燃料改造。自2015年簽署正式合同開始，中國(guó)原子能科學(xué)研究院就開始了加納微堆的低濃化改造工作。
　　
　開展微堆燃料低濃化工作，既符合我國(guó)核不擴(kuò)散的國(guó)際政策，也能更有效地防止核擴(kuò)散，并能在國(guó)內(nèi)外推廣微堆方面起到積極作用。
　　
　中國(guó)掌握微堆低濃化的全套技術(shù)
　　
　微堆離我們的生活并不遠(yuǎn)。微堆是一種小型、低功率、固有安全性好、容易操作的反應(yīng)堆裝置，可以建設(shè)在大中城市人口稠密的大學(xué)、科研單位等，能夠廣泛應(yīng)用于中子活化分析、放射性同位素制備、教學(xué)培訓(xùn)、反應(yīng)堆物理實(shí)驗(yàn)及儀器考驗(yàn)。
　　
　“從1984年至今，我們利用微堆分析的樣品多種多樣，上至天文、下至地理，涉及地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、生命科學(xué)等眾多學(xué)科?！痹幽茉何⒍咽抑魅卫盍x國(guó)說(shuō)，分析結(jié)果為不少研究提供了科學(xué)依據(jù)。
　　
　我國(guó)的微堆研究建造可追溯到上世紀(jì)70年代末、80年代初。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，1984年3月，原子能院自主開發(fā)設(shè)計(jì)建造的我國(guó)第一座微堆順利建成并投入滿功率運(yùn)行。
　　
　此后，該院為國(guó)內(nèi)外用戶設(shè)計(jì)和建造了9座商用微堆，其中5座出口到了巴基斯坦、伊朗、加納、敘利亞、尼日利亞，加納微堆于1995年建成。這些微堆已累計(jì)安全運(yùn)行超過(guò)100堆·年，為國(guó)家創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
　　
　“過(guò)去，我們微堆使用武器級(jí)的高濃鈾作為燃料。燃料棒一旦流失，就可能造成核材料擴(kuò)散的威脅?！崩盍x國(guó)解釋，由于所用燃料的特殊性，微堆在推廣中一直受到限制。
　　
　受國(guó)際大環(huán)境等多因素影響，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）多次提出，希望微堆燃料實(shí)施低濃鈾轉(zhuǎn)化。
　　
　今年3月，經(jīng)過(guò)5年攻關(guān)，該研究院成功對(duì)中國(guó)首座微堆——原型微堆實(shí)施了低濃化改造，并實(shí)現(xiàn)首次滿功率運(yùn)行。這是繼核安保示范中心建成運(yùn)行后，我國(guó)在核安保領(lǐng)域取得的又一重要成績(jī)，也是中美核安保合作的重大成果，被寫入《中美核安全合作聯(lián)合聲明》。
　　
　原子能院的原型微堆的每一根燃料元件的直徑僅有5毫米，換言之只有約5張紙的厚度，每?jī)筛g隙只有5.48毫米，這些燃料元件被放置在實(shí)驗(yàn)用的“鳥籠架”內(nèi)。“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。
　　
　微堆低濃化改造，是降低高濃鈾流失風(fēng)險(xiǎn)、提升核安保水平的有力舉措，也是中美核安保領(lǐng)域合作的重要內(nèi)容。國(guó)家原子能機(jī)構(gòu)將本著自愿、務(wù)實(shí)的原則，與其他國(guó)家分享低濃化改造技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，協(xié)商開展類似改造項(xiàng)目，全面提升全球核安保水平。
　　
　2011年底，中國(guó)國(guó)家原子能機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)中國(guó)原子能科學(xué)研究院與美國(guó)能源部阿貢實(shí)驗(yàn)室合作，對(duì)原子能院微堆進(jìn)行低濃化改造，卸出微堆高濃鈾堆芯，裝入低濃鈾燃料堆芯。
　　
　微堆低濃化改造涉及堆芯物理設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、燃料組件設(shè)計(jì)制造、裝卸料、乏燃料管理、反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)調(diào)試等諸多環(huán)節(jié)。改造過(guò)程中，工程技術(shù)人員攻克了一批關(guān)鍵技術(shù)，確保了微堆的核安全。
　　
　“最難的是堆芯設(shè)計(jì)?！崩盍x國(guó)說(shuō)，“由于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(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，設(shè)計(jì)難度大大增加?！?BR>　　
　2014年年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。
　　
　據(jù)介紹，該堆的主要用途包括中子活化分析、核儀器探頭的考驗(yàn)、教學(xué)及培訓(xùn)、少量同位素生產(chǎn)等。改造后的微堆固有安全性更高，一次裝料可運(yùn)行30年。
　
　中核集團(tuán)董事長(zhǎng)孫勤認(rèn)為，首座微堆低濃化后首次滿功率運(yùn)行意味著原子能院已完全掌握了微堆低濃化的全套技術(shù)。
　　
　微堆具體能用來(lái)干啥？
　　
　2008年，“長(zhǎng)相”精致的微堆曾經(jīng)展示大“威力”，它與央視、清西陵及北京市法醫(yī)檢驗(yàn)鑒定中心等共同揭開了困擾史學(xué)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(fā)辮入手，歷時(shí)五年，利用微堆中子活化分析技術(shù)測(cè)試了發(fā)辮中砷的含量，并結(jié)合其他技術(shù)手段，經(jīng)科學(xué)研究分析測(cè)算表明光緒的頭發(fā)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(fā)上的砒霜總量就已高達(dá)約201毫克。
　　
　光緒死因的確證，被認(rèn)為是運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和偵察思維解決歷史疑難問題的成功嘗試，開辟了學(xué)術(shù)文化研究的新路徑。
　　
　因?yàn)榫哂行⌒突?、易操作、功率低、固有安全性好等?yōu)點(diǎn)，在大中城市人口稠密的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)內(nèi)，不乏微堆身影。
　　
　在改革開放前沿深圳，原子能院幫助深圳大學(xué)設(shè)計(jì)建造的微堆已安全運(yùn)行28年，這也是目前我國(guó)尚在運(yùn)行的唯一商用微堆。與原子能院的原型微堆相比，二者的差別是堆芯尺寸、燃料元件尺寸。
　　
　深圳微堆建成后，利用中子活化法填補(bǔ)了深圳微量元素質(zhì)檢方面的某些空白。
　　
　當(dāng)時(shí)，隨著珠三角現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展，大量人工合成有機(jī)化合物被引入到自然環(huán)境中，包括一系列有機(jī)鹵素污染物，這些鹵素污染物有致癌、致畸、致突變的風(fēng)險(xiǎn)。借助微堆，深圳較早就對(duì)本市的大氣和土壤環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)時(shí)掌握深圳大氣和土壤中的污染程度，并及時(shí)采取措施。
　　
　因?yàn)椴粫?huì)對(duì)樣品產(chǎn)生破壞，原子能院曾協(xié)助有關(guān)單位，對(duì)膳食中的元素含量進(jìn)行過(guò)多次調(diào)查研究及衛(wèi)生學(xué)評(píng)價(jià)。
　　
　多年前，原子能院高級(jí)工程師王珂就和團(tuán)隊(duì)分析測(cè)定了我國(guó)南北方78例正常成年人甲狀腺含量，發(fā)現(xiàn)有地區(qū)差異，女性略高于男性，這為評(píng)價(jià)碘對(duì)人體的健康影響提供了背景材料。
　　
　“微堆低濃化后應(yīng)用更為廣泛，比如可應(yīng)用到與百姓關(guān)系更加密切的治療癌癥的醫(yī)療裝置中?！敝袊?guó)工程院院士周永茂如此預(yù)測(cè)微堆前景。