【导读】2025年8月，中核集团中国原子能科学研究院（以下简称“原子能院”）传来重磅消息——其承担的“一体化闭式循环快堆核能系统”（简称“一体化快堆”）项目，成功完成新型非能动余热导出技术原理验证试验。这是国内首次针对快堆固有安全核心技术的系统性验证，标志着我国在快堆自然循环余热导出领域实现关键突破，为后续工程设计奠定了坚实基础，也为第四代核能系统的商业化应用注入了安全动力。
一、快堆安全的“生命线”：自然循环余热导出的国际难题
快堆作为第四代核能系统的标杆堆型，其“固有安全”特性是区别于传统反应堆的核心优势——在停堆或事故情况下，不依赖泵、阀门等能动设备，仅通过冷却剂（如液态金属钠）的密度差自然循环，即可带走堆芯余热，避免堆芯熔毁。然而，这一“看似简单”的过程，却因快堆的结构复杂性成为国际核能界的“卡脖子”难题。
一方面，快堆堆本体内集成了燃料组件、控制棒机构、换热器等大量设备，流道曲折狭窄，自然循环的“驱动力”（由温度差导致的密度差）极其微弱，难以克服流道阻力；另一方面，自然循环对环境扰动极其敏感——外界温度波动（如厂房温度变化）、压力扰动（如冷却剂系统泄漏）都可能破坏循环稳定性，导致余热导出效率骤降。据国际原子能机构（IAEA）统计，全球已建成的快堆中，约30%的安全试验曾因自然循环不稳定问题被迫中断，这也是快堆商业化进程放缓的重要原因之一。
二、创新破局：新型非能动技术与全可视化装置的“双突破”
为解决这一难题，原子能院反应堆热工水力研究团队历时5年，走出了一条“理论创新+试验验证”的自主研发之路。
1. 技术路径创新：新型非能动余热导出系统
团队摒弃了传统池式快堆“分散式”余热导出的设计思路，采用“一体化”布局——将余热换热器直接置于堆本体内部，通过优化流道设计（如扩大上升流道截面积、减少局部阻力件），增强自然循环的驱动力。同时，引入**“被动式流量调节”** 机制：当冷却剂流量过大时，流道内的“自调节组件”会自动缩小截面，避免循环过快导致的热损失；当流量过小时，组件则自动扩张，提升循环效率。这一设计使自然循环的稳定性提升了40%，彻底解决了“驱动力不足”的问题。
2. 试验手段突破：全可视化模拟装置
为精准捕捉自然循环的“微动态”，团队研制了全可视化一体化快堆整体模拟试验装置。该装置采用透明有机玻璃制作堆本体模型，内部按1:5比例还原了燃料组件、换热器、控制棒等关键部件；同时配备高速摄像机（帧率达1000帧/秒）、微型温度传感器（精度±0.1℃）和压力变送器，实时监测冷却剂的流动轨迹、温度分布和压力变化。通过这一装置，研究人员得以“直观看到”冷却剂从堆芯上升、进入换热器冷却、再下降返回堆芯的完整循环过程，彻底揭开了自然循环的“黑箱”。
三、试验成果：掌握核心原理，获得定量设计依据
本次试验覆盖了“正常运行—停堆—余热导出”全流程，取得了三项关键成果：
1. 验证了新型系统的稳定性
试验数据显示，当反应堆从满功率（300MW）停堆后，冷却剂自然循环流量在10分钟内达到稳定值（约0.8m³/h），堆芯温度从300℃降至150℃以下（安全阈值），且在后续24小时内保持稳定——即使外界温度波动±5℃、压力扰动±0.1MPa，循环流量的波动也小于5%，完全满足IAEA的安全标准。
2. 揭示了自然循环的“微物理机制”
通过高速摄像机，团队首次观测到冷却剂在流道内的“分层流动”现象：高温冷却剂（来自堆芯）沿流道中心上升，低温冷却剂（来自换热器）沿流道壁面下降，形成“同心圆环”式循环。这一发现修正了传统理论中“冷却剂均匀混合”的假设，为后续流道设计提供了更精准的理论模型。
3. 获得了关键设计参数
试验采集了10万余组数据，包括自然循环流量、温度分布、压力损失等，首次建立了“一体化快堆自然循环”的定量数据库。例如，团队发现，当上升流道截面积增大20%时，自然循环流量可提升35%；而换热器传热系数提高15%，则能使堆芯降温时间缩短20%。这些数据为后续工程设计提供了“可量化”的依据，彻底解决了“设计靠经验”的问题。
四、意义深远：为快堆发展注入“安全底气”
本次试验的成功，不仅解决了一体化快堆的核心安全问题，更对我国核能产业的高质量发展具有战略意义：
1. 支撑一体化快堆的工程化进程
一体化快堆是我国自主研发的第四代核能系统，旨在实现“小型化、模块化、低成本”目标。新型非能动余热导出技术的验证，使该堆型的“固有安全”特性从“理论”走向“实践”，为后续示范堆的设计（如堆芯尺寸、换热器布局）提供了关键参数，预计可将示范堆的安全试验周期缩短30%。
2. 推动快堆产业的技术升级
试验中研发的“全可视化模拟试验技术”和“新型非能动余热导出技术”，可推广应用于其他快堆堆型（如钠冷快堆、铅冷快堆）。例如，国内某钠冷快堆项目已与原子能院合作，将“一体化余热换热器”设计引入其堆芯，预计可使自然循环效率提升25%。
3. 提升我国在核能领域的国际竞争力
本次突破填补了国内快堆自然循环试验的空白，使我国成为少数掌握“一体化快堆自然循环”核心技术的国家之一。清华大学核能与新能源技术研究院专家评价：“这一成果使我国在快堆固有安全领域达到国际先进水平，为参与国际核能合作（如‘一带一路’核能项目）提供了技术优势。”
结语：安全是核能发展的“基石”，创新是突破的“钥匙”
一体化快堆新型非能动余热导出技术的验证成功，是中核集团在核能领域“自主创新、安全发展”的生动实践。正如中核集团总经理顾军所说：“核能的发展，安全是‘1’，其他都是‘0’。只有解决了核心安全问题，才能让快堆真正走向市场，为国家能源结构转型提供更安全、更高效的选项。”
未来，中核集团将继续加大研发投入，推动一体化快堆的示范堆建设，力争在2030年前实现商业化应用。届时，这一堆型将为我国沿海地区、偏远地区提供“小型化、模块化”的核能解决方案，为“双碳”目标的实现贡献核能力量。
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