中國加納微堆低濃鈾堆芯零功率實驗首次臨界成功

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據科學網報道，7月27日上午，加納微堆（微型中子源反應堆）低濃鈾堆芯在中國原子能科學研究院（簡稱原子能院）成功實現零功率實驗首次臨界。這是中國承擔的加納微堆低濃化改造項目中一個重要的里程碑節點，標志著該項目中方負責的所有技術準備工作均已完成，項目的關鍵步驟已經取得成功。

同時，這也是繼我國在今年3月完成首座微堆高濃縮鈾低濃化改造、實現滿功率運行後，在踐行國際承諾、推廣減少高濃鈾合作模式層面取得的又一項重大進展，也是中國為世界反核恐怖主義、加強國際核安保作出的實實在在的貢獻。

中國目前是世界上唯一完全掌握微堆研究建造技術的國家。微堆不像傳統的核反應堆，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，能進行中子活化分析、核儀器探頭的考驗、教學及培訓、少量同位素生產等。

“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。”原子能院堆工部主任楊紅義介紹，轉化後還需利用原有筒體裝料運行。

協助加納實現微堆低濃化改造是我國政府落實第四屆核安全峰會上習近平總書記提出的“五大倡議”及《中美聯合聲明》重要行動之一。中核集團總工程師雷增光表示，中核集團高度重視加納微堆低濃化項目，希望通過加強國際間緊密合作盡早完成項目。未來，中核集團將會為促進更廣泛的和平利用核能貢獻更大的力量。

該實驗首次臨界的成功，是踐行中國政府對加納微堆低濃化改造項目的承諾，體現了各國在核不擴散領域積極開展國際間合作的精神。“加納模式”也將為後續微堆低濃化以及核不擴散國際間合作提供重要的經驗。

加納微堆是中國原子能科學研究院於1995年通過國際原子能機構技術合作項目為加納設計、建造的該國第一座研究堆，採用高濃鈾為燃料，其建成為加納核技術人員的培訓等工作發揮了積極作用。

2013年，經國際原子能機構（IAEA）、美國能源部（DOE）、加納和中國協商一致，由中國牽頭承擔對加納微堆進行低濃化燃料改造。自2015年簽署正式合同開始，中國原子能科學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，既符合我國核不擴散的國際政策，也能更有效地防止核擴散，並能在國內外推廣微堆方面起到積極作用。

中國掌握微堆低濃化的全套技術

微堆離我們的生活並不遠。微堆是一種小型、低功率、固有安全性好、容易操作的反應堆裝置，可以建設在大中城市人口稠密的大學、科研單位等，能夠廣泛應用於中子活化分析、放射性同位素制備、教學培訓、反應堆物理實驗及儀器考驗。

“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，涉及地質學、地球化學、生命科學等眾多學科。”原子能院微堆室主任李義國說，分析結果為不少研究提供了科學依據。

我國的微堆研究建造可追溯到上世紀70年代末、80年代初。經過多種物理設計方案的理論計算和零功率實驗驗證，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。

此後，該院為國內外用戶設計和建造了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，加納微堆於1995年建成。這些微堆已累計安全運行超過100堆·年，為國家創造了巨大的經濟效益。

“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。”李義國解釋，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。

今年3月，經過5年攻關，該研究院成功對中國首座微堆——原型微堆實施了低濃化改造，並實現首次滿功率運行。這是繼核安保示範中心建成運行後，我國在核安保領域取得的又一重要成績，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，每兩根元件間隙只有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。

微堆低濃化改造，是降低高濃鈾流失風險、提升核安保水平的有力舉措，也是中美核安保領域合作的重要內容。國家原子能機構將本著自願、務實的原則，與其他國家分享低濃化改造技術經驗，協商開展類似改造項目，全面提升全球核安保水平。

2011年底，中國國家原子能機構批準中國原子能科學研究院與美國能源部阿貢實驗室合作，對原子能院微堆進行低濃化改造，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。改造過程中，工程技術人員攻克了一批關鍵技術，確保了微堆的核安全。

“最難的是堆芯設計。”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，且只能在原有小尺寸的堆芯空間內做出合理調整，設計難度大大增加。”

2014年年3月4日，中國原子能科學研究院在微型反應堆臨界裝置上開展低濃鈾凈堆首次臨界實驗，並安全達到臨界，這標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入全面實施階段。

據介紹，該堆的主要用途包括中子活化分析、核儀器探頭的考驗、教學及培訓、少量同位素生產等。改造後的微堆固有安全性更高，一次裝料可運行30年。

中核集團董事長孫勤認為，首座微堆低濃化後首次滿功率運行意味著原子能院已完全掌握了微堆低濃化的全套技術。

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微堆具體能用來幹啥？

2008年，“長相”精致的微堆曾經展示大“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，而其腐敗屍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。

光緒死因的確證，被認為是運用現代科學技術和偵察思維解決歷史疑難問題的成功嘗試，開辟了學術文化研究的新路徑。

因為具有小型化、易操作、功率低、固有安全性好等優點，在大中城市人口稠密的大學和研究機構內，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設計建造的微堆已安全運行28年，這也是目前我國尚在運行的唯一商用微堆。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。

深圳微堆建成後，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。

因為不會對樣品產生破壞，原子能院曾協助有關單位，對膳食中的元素含量進行過多次調查研究及衛生學評價。

多年前，原子能院高級工程師王珂就和團隊分析測定了我國南北方78例正常成年人甲狀腺含量，發現有地區差異，女性略高於男性，這為評價碘對人體的健康影響提供了背景材料。

“微堆低濃化後應用更為廣泛，比如可應用到與百姓關系更加密切的治療癌癥的醫療裝置中。”中國工程院院士周永茂如此預測微堆前景。

觀察者網綜合科學網、光明網、科技日報、中核集團官方微信等報道

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