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北極星核電網訊:高溫堆，高溫氣冷堆，減速水冷堆，快中子反應堆，日本在先進堆方面研發具有豐富的經驗。
（來源：微信公眾號“嘿嘿能源heypower” ID：heiheinengyuan 作者：heypower）
1、高溫氣冷堆
1998年底，日本原子能研究所（現為日本原子能研究所）的30 MWt高溫氣冷工程試驗反應堆（HTTR）專案在東京附近的大洗町核氫和熱應用研究中心啟動。
這是日本第一個石墨慢化氦冷堆，執行溫度850°C，2004年達到950°C，2010年，穩定運行了50天，證明了在該水平下的穩定熱量。
同時這種堆型也將應用於化學過程，如氫氣的熱化學生產。
該種堆型燃料是陶瓷塗層顆粒，呈六角形，低濃縮鈾（平均6%）位於石墨稜中，該種燃料結構具有較高的安全性。碳化矽陶瓷元件適合於高溫酸性環境。
其設計目的是為第二代氦冷卻裝置的商業化奠定基礎，在高溫環境下執行，用於工業應用或直接驅動迴圈燃氣輪機。
在哈薩克WWR-K研究堆試驗的幫助下，已確定燃料燃耗為90 GWd/t。正在開發目標燃耗為160 GWd/t的燃料（德國和美國之前已達到100 GWd/t）。
到2015年，預計將有一座生產1000 m3/h氫氣的碘硫工廠與HTTR相連，以確認綜合生產系統的效能。
然而，HTTR於2011年2月因計劃檢查而關閉，並在2013年7月宣佈，在新的後福島法規出臺之前保持關閉狀態。
2020年5月，NRA批准了修改，JAEA預計將盡快重啟。
JAEA隨後計劃連線氦氣渦輪機和制氫系統，並在2030年之前證明這些系統的執行——HTTR-GT/H2電廠。
其設計用於從0.7 MWt產生1 MWe的電能和30m3/h的氫氣。
2、高溫堆
根據HTTR，JAEA設計了一個600 MWt高溫反應堆（HTR），稱為GTHTR300C，在850-950°C下使用布雷頓迴圈，以產生高達300 MWe的電能。
燃料為稜柱型TRISO，濃縮鈾含量為14%，平均燃耗為120 GWd/t，燃料迴圈為48個月。最多四個模組將構成一個發電廠。主要用於120噸/天的熱化學制氫，或者生產300 MWe並將餘熱用於多級閃蒸（MSF）脫鹽，55000 m3/天的預計水成本是使用燃氣CCGT的一半。
該反應堆正在與三菱重工（MHI）、東芝/IHI和富士共同開發中，商業化目標約為2030年。
小型HTR50S堆的設計是JAEA基於HTTR，主要用於工業過程、供熱和/或發電的概念設計，功率50 MWt，雙反應器出口溫度為750°C和900°C，最大限度地利用傳統技術，以便在2020年代將其部署到發展中國家。
最初，這將使用蒸汽迴圈發電，然後改進燃料，將反應堆出口溫度提高到900°C，並安裝中間熱交換器，以示範使用碘硫工藝生產氦氣渦輪機和氫氣。
2019年初，日本原子能機構（JAEA）與英國電力公司成立了一家合資企業，基於HTTR設計建造一座10 MWe SMR，用於動力和工藝加熱。同時後續計劃將設計規模擴大到100 MWe。
MHI和JAEA提出了一種模組化HTR，用於使用蒸汽迴圈發電，輸出功率為50-100 MWe（120或250 MWt），燃料佈置與HTTR類似。
MHI已經開始了MHR-100GT的概念設計。
2014年，政府將HTR研究納入其基本能源計劃草案，5月，MEXT的核科學和技術委員會成立了一個工作組，根據國內外需求評估HTR的研發現狀，並討論其未來方向。
2018年7月，政府確認HTR是其能源政策的一部分，2019年6月，內閣確認HTR用於熱化學制氫。
JAEA與哈薩克國家核中心就庫爾恰托夫市50 MW HTR的設計、建造和執行達成了重大協議。
它還與韓國和中國簽訂了HTR研究協議。JAEA計劃在阿聯酋阿布扎比與阿聯酋核能公司（ENEC）合作，並由日本工程師聯合會（JEF）加速開發100 MW的HTR示範。
根據2007年與印度尼西亞國家原子能機構（BATAN）的合作協議，2014年，JAEA同意包括HTR的研發。
在印度尼西亞引進商業反應堆之前，BATAN計劃建造一個約3-10 MWe的測試和示範HTR，儘管這是與俄羅斯簽訂的合同。
3、減速水冷堆
日本正在開發的減速水冷堆（RMWR），堆型為輕水堆，主要區別在燃料方面，燃料包裝得更緊密，以減少水的緩和作用。
結合沸水堆變型（可再生資源沸水堆–RBWR）設計，燃料元件和控制棒，進行了一定的改進，特別是燃料元件要短得多，因此它們仍然可以充分冷卻。
理想情況下，燃料元件為六邊形，帶有Y形控制桿。緩和度的降低意味著生產更多的裂變鈽，增殖率約為1（而不是約0.6），並且更多的U-238轉化為Pu-239，在常規反應堆中燃燒。燃耗約為45 GWd/t，週期長。
初始MOX燃料需要約10%Pu。與常規LWR一樣，空隙反應性為負值。
日立基於ABWR-II的RBWR設計，每個燃料元件的中心部分（約80%）帶有MOX燃料棒和外圍的鈾氧化物。
在MOX燃料部分，燃燒少量錒系元素以及回收鈽，設計功率為1346 MWe。不過幾年來幾乎沒有人聽說過這個專案。
開發RMWR的主要目的是提高世界鈾資源使用率，併為廣泛使用快中子反應堆提供橋樑。
回收的鈽應優先用於RMWR，而不是傳統LWR中的MOX燃料，並且鈽的多次回收也成了可能。
JAERI於1997年開始研究RMWR，後於1998年與日本原子能公司（JAPCO）合作進行概念設計研究。日立也密切參與其中。
新的後處理技術是RMWR概念的一部分。20世紀80年代開發的氟化物揮發工藝，與鈽的溶劑萃取相結合，形成日立的Fluorex工藝。
在這種情況下，乏燃料中90-92%的鈾被氣化為UF6，然後進行濃縮或儲存淨化。剩餘物透過Purex迴路，將裂變產物和次要錒系元素分離為HLW，留下未分離的U-Pu混合物（約4:1）製成MOX燃料。
4、快中子反應堆
2014年戰略能源計劃將快中子反應堆（FNR）的研發作為優先事項，主要目的消耗廢物體積和降低毒性。
JAEA自1967年以來一直在東海村執行快臨界元件（FCA），以研究快堆的中子特性。
這種設計已用於常陽實驗堆和文殊快堆開發。在此過程中，該設施積累了約數百公斤分離鈽（據報告為武器級）和高濃縮鈾。
2014年3月，在美國於2004年設立的全球減少威脅倡議（GTRI）的支援下，同意將所有這些材料分別送往美國進行處置或民用。
FCA本身將被轉換為低濃縮鈾，並重新分配用於廢物的嬗變和處置。
常陽實驗快堆位於大洗町，從1977年開始執行，連續運行了三個堆芯，2003年被提升到140MWt，積累了大量的技術資料。
自2007年以來，由於一些核心部件損壞，它已被關閉。必須更換上部堆芯結構，並於2014年完成。
經過實質性升級後，2016年JAEA向NRA申請許可，於2021年重新啟動。
JAEA計劃在2020年底前完成其工程，預計從2022年年中開始，Mk IV堆芯將以100 MWt的功率執行，其中包含多達79個MOX燃料元件。
JAEA說，在大約71000小時的執行期間，常陽輻照了大約100個MOX燃料元件，這對日本的燃料迴圈政策具有重要意義。
後來又說，1982-2000年間，342個快堆燃料元件受到100 MWt輻照，2003-2007年間，在140 MWt受到輻照。
280 MWt 文殊原型FBR堆於1994年4月啟動，並於1995年8月併網，但在1995年12月的效能測試中，其二次傳熱系統出現鈉洩漏，這意味著該系統在實際執行僅205天后就被關閉。
2012年年中，文部省向AEC概述了文殊快堆未來的走向。
如果日本選擇直接在地下處置乏燃料，文殊快堆專案將被終止。如果繼續進行後處理的封閉式燃料迴圈，文殊快堆將繼續其最初的任務，從2050年開始為FBR的商業使用做準備，並從2025年開始執行一個示範裝置。
據報道，文殊快堆的建造和執行成本為1萬億日元（125億美元），2012年的預算為175億日元。
2014年初，據報道其維護費用為每天5000萬日元。
日本核電審查了文殊快堆的快中子堆部分的資訊檔案。它的大部分時間都處於關閉狀態，2016年12月，政府確認它將退役。
2014年5月，日本承諾支援法國阿斯特里德快堆專案的開發，2014年8月，日本原子能機構，三菱重工和三菱FBR Systems與法國原子能委員會（CEA）和阿海琺（Areva）簽訂了一項協議，以推進阿斯特里德的合作。
阿斯特里德被設想為1500 MWe鈉冷快堆商業系列的600 MWe原型，計劃從2050年左右開始部署，以利用當時豐富的貧鈾，並在使用過的MOX燃料中燃燒鈽。
阿斯特里德將有很高的燃料消耗，包括燃料元素中的次要錒系元素，並且在增殖比率上有很大的靈活性。
阿斯特里德被稱為“自生”快堆，而不是增殖反應堆，以證明低淨鈽產量。
2006年法國政府委託CEA開發快中子反應堆，該反應堆基本上是第四代鈉冷式反應堆，在法國已有45年的執行經驗。
2009年年中，阿斯特里德（用於工業示範的先進鈉技術反應堆）因其錒系元素燃燒潛力而在研發中獲得高度優先權。
CEA尋求與日本和中國合作開發。阿斯特里德計劃包括反應堆本身和相關燃料迴圈設施的開發：一條專用MOX燃料製造線（AFC）和一個用於使用阿斯特里德燃料（ATC）的試驗性後處理廠（ATC），時間約為2023年。
含錒系元素用於嬗變的燃料棒計劃於2023年開始生產，但2025年前阿斯特里德不會裝載含有少量錒系元素的燃料進行嬗變。
2014年，根據2010年10月達成的快堆研發協議，法國已要求日本在文殊快堆中測試阿斯特里德的燃料。
2018年6月，法國政府表示，阿斯特里德的容量將從最初計劃的600 MWe降至100至200 MWe，以降低建設成本，同時也因為商業快堆的開發不再是重中之重。
在這一決定之後，東芝表示，規模較小的阿斯特里德將是日本快堆開發程序的倒退，可能迫使日本建造自己的大型示範反應堆，而不是依賴阿斯特里德。
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