我國科學家成功將微堆中的核燃料富集度從90%降至12.5%，并實現滿功率運行。這一被寫入《中美核安全合作聯合聲明》的重要進展，也被認為是中國向第四屆世界核安全峰會獻上的一份賀禮——
沒有散熱塔，沒有高聳的煙囪，更沒有建筑群，一個高壓鍋大小的核反應堆堆芯只身“藏”在中國原子能科學研究院的一層實驗樓里。
就是這座名副其實的“微堆”，最近吸引了全世界的目光。它在圓滿完成低濃化改造后，于3月26日首次實現滿功率運行。這一重要進展被寫入《中美核安全合作聯合聲明》，也被認為是中國向第四屆世界核安全峰會獻上的一份賀禮。
受限于高濃燃料的微堆
微堆是微型中子源反應堆的簡稱，具有小型化、易操作、功率低、固有安全性好等優點，可建在大中城市人口稠密的大學和研究機構內，主要用于中子活化分析、少量同位素生產等。
其中，微堆的中子活化分析技術還曾幫助歷史學家解決了一個困擾他們很久的難題。“2003年，我們在微堆上利用中子活化分析等一系列現代專業技術手段，破解了清朝皇帝光緒的死因，揭開了困擾史學界100年的謎團。”原子能院微型反應堆研究室主任李義國介紹說。
原子能院微堆的研究建造可追溯到上世紀80年代。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并投入滿功率運行。
“過去，我們的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。”李義國向記者展示的微堆燃料棒非常小巧，拿在手里就像一支筆。
正是由于微堆所用燃料的特殊性，這種精致的核技術在推廣中一直受到限制。
“受到國際大環境、燃料低濃化和應用多樣化等研究堆發展趨勢的影響，我國設計建造的高濃鈾微堆受到國際原子能機構的高度重視。該機構多次提出，希望微堆燃料實施低濃鈾轉化。”在李義國看來，微堆低濃化改造已成為象征人類在追求核安全道路上不斷向前探索的風向標。
從堆芯設計開始的低濃化攻關
其實，原子能院早在十幾年前就開始考慮微堆低濃化問題。“當時，國際上大堆的低濃化已做了很多。我們也開始探索一些技術性工作，對微堆燃料低濃化進行了初步的分析和計算。”李義國告訴記者。
從2006年開始，原子能院多次參加國際原子能機構組織的微型反應堆低濃化會議。鑒于原子能院在微堆研發方面的成熟技術，國際原子能機構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。
2011年年底，國家原子能機構批準原子能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，卸下微堆高濃鈾堆芯，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。“堆芯設計是最難的。”李義國說，“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作出合理調整，從而使設計難度大大增加。”
經過5年左右的攻關，原子能院成功地將微堆中的核燃料富集度從90%降至12.5%，并實現滿功率運行。
“試驗參數完全符合設計要求，標志著我們完全掌握了微堆低濃化的技術。”國家原子能機構秘書長劉永德表示，基于這一成果，中國微堆技術已被國際原子能機構定義為全球3種具有固有安全性的核能設施之一。
中國工程院院士周永茂表示，微堆低濃化以后，除保證了安全性、提高了使用性能以外，應用也更為廣泛，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。
“走出去”的先行者再出發
雖然原子能院的微堆低濃化改造已圓滿完成，但考慮到核不擴散問題，中國正不遺余力地開展全球微堆低濃化工作。
“微堆是中國反應堆‘走出去’的先行者。”李義國告訴記者，我國的微堆在研制完成后從上世紀80年代末開始邁出國門，在多個國家作為核能研究設施落地，并發揮了重要作用。截至目前，原子能院已為巴基斯坦、加納、尼日利亞等國建設了微堆。
如今，中國微堆技術迎來了再次走出國門的機會。
“2004年9月，我們與國際原子能機構和加納簽訂了加納微堆低濃鈾供應協議，目前正全力推進項目的進行。”李義國的腦子里存著一張時間表：今年6月完成低濃鈾燃料加工，7～8月完成零功率實驗，年底完成低濃鈾裝料和調試。
加納微堆是原子能院于1995年通過國際原子能機構為加納設計、建造的該國第一座研究堆。今年7月，加納相關技術人員還將來華接受低濃鈾微堆培訓。而尼日利亞的微堆低濃化工作也已提上日程。
“微堆低濃化改造成功是中國為防止核擴散、加強核安全作出的實實在在的貢獻。”李義國自豪地說。