商用堆的选型因国家而异，不仅要考虑各国的战略目标、现有技术基础、已经证实或者经过估计的技术性能以及研发面临的挑战，还要考虑可能的开发成本及其风险。目前，美国、日本和法国都将钠冷快堆作为快堆概念的参考选项，其钠冷快堆技术已经发展到了商业规模或接近商业规模阶段。为阐明三国首选钠冷快堆，而非铅冷和气冷快堆的原因，日本原子能研究开发机构（JAEA）的Yoshihiko Sakamoto、法国原子能和可替代能源委员会（CEA）的Jean-Claude Garnier和美国阿贡国家实验室（ANL）的Christopher Grandy在《核工程与设计》杂志2013年第254卷上联合发表了题为《美国、日本和法国快堆冷却剂的选择》的文章。文章分析了美、日、法选择钠冷快堆作为优先发展堆型的背景和原因，介绍了三国在开发快堆方面的合作，阐述了他们在第四代反应堆概念框架下对反应堆堆型的选择过程，并指明三国在快堆开发方面的共同任务。

1 美、日、法三国快堆的开发背景及其合作情况
1999年，JAEA和日本原子能公司（JAPC）启动了商用快堆核燃料循环系统研究项目，以确定快堆燃料循环系统的可行性。在核燃料循环系统的框架下，研究人员遴选出了具有可持续特性的快堆设计模式。此外，他们还考虑了钠、重金属、气体和水等各种冷却剂，并探讨了多种燃料类型。研究项目第一阶段的成果是为各种冷却剂确定了相应的快堆系统，其中包括采用氧化物燃料和金属燃料的钠冷快堆、采用氮化物燃料的铅-铋冷却快堆、采用TiN涂层颗粒氮化物燃料的氦冷快堆以及采用氧化物燃料的沸水冷却快堆。研究项目第二阶段的成果是，综合考虑快堆概念与核燃料循环模式，确定了最具前景的快堆循环系统。根据核燃料循环系统的研究结果，日本在2006年启动了一个国家级的项目，即“快堆循环技术开发（FaCT）”项目，并将钠冷快堆列为重点开发堆型，并计划在2025年运行钠冷示范快堆。
为了给钠冷快堆技术找到最佳的替代技术，CEA在2001～2007年开展了气冷快堆可行性方面的研究。2006年，法国放射性材料和废物可持续管理法案第3款明确规定，必须确保在2020年12月31号之前有一座第四代原型反应堆开始服役。该原型堆的服役计划在2010年再次得到确认，定为钠冷快堆。CEA还与AREVA-NP及EDF共同启动了法国先进钠冷技术工业示范堆项目（ASTRID）。
在全球核能合作伙伴（GNEP）项目的框架下，美国的4个工业小组已经开始研究快堆技术方面的提议，以确保相关的快堆项目能够在2025年之前投入运营。这4个工业小组分别提出了不同的快堆设计，但其设计的快堆都采用钠冷却剂。GNEP项目结束之后，美国又参与了一个更长期的研发项目，开始研究众多的反应堆技术，其中就包括钠冷快堆。根据各国的评估情况，未来20年内任何原型快堆或示范快堆的冷却剂都将选择钠。

2 美、日、法三国对第四代反应堆概念的初步选择
2001年，第四代反应堆国际论坛（GIF）宣告成立。在GIF框架下，研究人员研究了各种冷却剂和燃料类型，并在2002年7月选择出了6种下一代反应堆堆型，即气冷快堆、铅冷快堆、熔盐反应堆（MSR）、钠冷快堆、超临界水冷反应堆（SCWR）和超高温反应堆（VHTR）。这6种堆型的比较结果是：①超高温反应堆的铀资源利用性能与轻水反应堆的铀资源利用性能大致相当；②在燃料利用方面，超临界水冷反应堆的性能不如快堆。超临界水冷反应堆需要大量的钚存量，其钚增殖和次锕系元素嬗变能力也存在问题；③熔盐反应堆是更长时间范围内的一种备选堆型，这种堆型的液态燃料和冷却剂使得这种反应堆概念具有很强的特殊性。目前熔盐反应堆的技术还很不成熟，安全与辐射防护等方面的问题仍然很多，还需要大量的研究来验证其可行性。
根据上述考虑，钠冷快堆、气冷快堆和铅冷快堆将是美国能源部（DOE）、CEA和JAEA优先发展的堆型。这三种反应堆及其冷却剂各有优缺点，最佳的反应堆系统将综合考虑这些优缺点。

3 美、日、法三国在快堆开发方面的共同任务
美、日、法在快堆开发方面具有共同的任务。由于快堆具有良好的中子平衡特性，并且锕系元素的产生量大大降低，因此快堆不仅提高了燃料的利用效率，避免了铀的富集，而且确保了核燃料的有效循环。通过将能够长期产生热量的元素从废物流中分离出来，锕系元素的循环可以带来非常明显的废物管理效益。快堆开发的共同任务是确保铀资源的有效利用和废物管理目标的实现，同时提供具有经济竞争力的电力供应。因此，快堆概念是实现核燃料可持续目标的关键。

4 三类快堆的优缺点
美、日、法一致认为，钠冷快堆、气冷快堆和铅冷快堆具有实现核燃料可持续发展的潜能。钠冷快堆已经具有现成的技术基础，其在投入工业应用之前所面临的挑战也是明朗的。反应堆系统的开发需要积累大量有关核燃料、核安全及核材料性能等方面的经验，而这些经验的获得往往需要大量的时间。对钠冷快堆而言，过去70年间核工业界成功地积累了大量的经验，并已建造或者正在建造大量的实验钠冷快堆和原型钠冷快堆。燃料的选择、安全设计和材料研制的基础就是这些已经获得的经验。为了提高钠冷快堆的安全性能，业界已经进行了大量的示范实验，同时针对示范实验的评估工具也逐步开始发挥作用，数座反应堆的自然对流余热排出实验已经成功开展。一方面，未来钠冷快堆安全性能将充分吸收实验过程中的反馈情况；另一方面，未来钠冷快堆的安全性能还要符合第四代反应堆的安全要求。CEA和ANL指出，钠冷快堆的缺点是其建造成本。针对钠冷快堆的建造成本，日本提出了一种JSFR概念，其中涉及降低钠冷快堆建造成本的技术。对于在线监测、维修以及钠泄露等问题，美、日、法三国已经开始着手相关的技术研发活动，例如钠监测设备、钠泄露探测设备以及可靠的蒸汽发生器（或可替代热交换器）等设施的开发。
对于气冷快堆，三国认为气冷快堆具有实现更高运行温度的潜能。CEA和JAEA比较担心燃料的可行性，这是因为它们的反应堆概念将采用碳化物或氮化物燃料，并采用陶瓷包壳。CEA和ANL则表示了对余热和严重事故行为的关注。总之，三国认为，气冷快堆测试工程开始之前尚有一段很长的路需要走。
对于铅冷快堆，三国认为这种反应堆的设计相对比较简单，但同时又会有严重的腐蚀问题。CEA和JAEA认为铅或铅-铋冷却剂可能会带来不确定的安全问题。JAEA则认为，考虑到地震因素的影响，日本建立铅冷快堆核电站的规模会受到限制。考虑到严重的腐蚀问题，三国一致认为，铅冷快堆的发展将会任重道远。

5 结 论
报告认为，快堆开发的根本任务是实现铀资源的充分利用和废物的有效管理。因此，快堆概念对核燃料可持续目标的实现至关重要。美、日、法一致认为，钠冷快堆、气冷快堆和铅冷快堆能够实现上述目标。从投入工业的角度来看，钠冷快堆技术已经比较成熟，而对气冷快堆和铅冷快堆而言，建成试验堆的道路还很漫长。
考虑到快堆的技术风险和建造日程，法国已将钠冷快堆作为其第四代反应堆的首选堆型。日本也已将钠冷快堆选为2050年的商用快堆堆型。美国在快堆方面的发展活动主要集中在研发方面，近期不会建造快堆。尽管如此，美国已计划将钠冷快堆作为快堆技术示范的参考堆型，相关的研发活动则集中在降低快堆成本和提高快堆性能等方面。美、日、法都将钠冷快堆作为优先发展的堆型，促成了一个联合工作平台。通过该平台，三国可以共同开发并分享快堆领域的知识和技术。这种合作不仅有利于第四代原型快堆的建造，也有助于推动快堆领域的研究活动。
摘自中国原子能科学研究院《核科技动态》（王新燕供稿）