核能安全

作者：倪思洁 来源：中国科学报不久前，中科院发布科技支撑“双碳”战略行动计划，先进核能技术是重点攻关的关键技术之一。在各类减少碳排放的清洁能源中，核能是令人又爱又惧的存在。作为清洁能源，核能可以有效减少碳排放，成为替代化石能源的希望，但它也是悬在人们头顶的达摩克利斯之剑，美国三英里岛核事故、苏联切尔诺贝利核事故、日本福岛核泄漏，一次次核事故给核电发展蒙上阴影。怎样在助力“双碳”目标实现的同时，让核电技术更安全可靠、更可持续？这是中科院的科学家们一直在探索的问题。核裂变能技术：榨净核废料，丰富核燃料2016年，中科院院士詹文龙曾前往美国华盛顿州哥伦比亚河畔的汉福德镇参观。那里是美国发展核武器后最大的放射性核废料处理厂区。那里存放着含强化学腐蚀、强放射性核废液的锈迹斑斑的大罐子。詹文龙至今记得当时触目惊心之感：“美国现在一年要用20亿美元去维持那里的安全。”这让他更加坚定了一个想法：在我国发展一种能够更安全、更经济地处理核废料的技术。在科学家眼中，核废料并不是“废料”，而是可以继续利用的“乏燃料”。早在2011年，中科院就启动了“未来先进核裂变能—ADS嬗变系统”战略性先导科技专项（简称ADS先导专项），目标是利用加速器产生高能质子，驱动乏燃料继续“燃烧”。由于加速器停止运行时，燃料就能停止“燃烧”，这一技术也被国际公认为最有前景的利用嬗变安全处置长寿命核废料的技术途径。到2016年詹文龙赴美参观时，科学家们已经突破了一些ADS的关键核心技术，并且完成了一种新方案的设计，即一种能把乏燃料“吃干榨净”的、具有更高性价比的“加速器驱动先进核能系统”（ADANES）。新方案由两部分组成，一是将已有的ADS技术工业化，二是研制乏燃料再生循环利用系统（ADRUF）。前者相当于“造炉子”，后者相当于“造燃料”。詹文龙介绍，根据这一方案，铀资源的利用率将由目前的不到1% 提高到超过95%，最终只需处置少于5%的核废料，其放射性寿命将由数十万年缩短到五百年内，还可燃烧30%的钍资源，这将支撑核电发展成千上万年。在实现碳中和目标的同时，还能产生可用于精准靶向放疗及核移动电源的珍贵同位素。就在ADANES方案如火如荼地推进之时，与ADS先导专项同时启动的“未来先进核裂变能—钍基熔盐堆核能系统”（TMSR）先导专项也初见成效。“在2011年启动‘未来先进核裂变能’先导专项前已经明确，中科院要做核能领域的科技创新。我们分析形势之后认为有两个切入点，一个针对核废料安全隐患和环境影响的问题，研发核废料安全处理处置技术，将需要地质处置的核废料最少化；另一个针对铀—235核燃料匮乏问题，研发将钍—232用作核燃料的技术，以实现核燃料来源的多样化。”中科院重大任务局材料能源处时任处长、中科院赣江创新研究院纪委书记彭子龙在回忆先导专项立项经过时对《中国科学报》说。TMSR先导专项计划用20年左右的时间，在国际上首先实现钍基熔盐堆的应用，同时建立钍基熔盐堆产业链和相应的科技队伍。2017年11月，中科院与甘肃省签署四代先进核能钍基熔盐堆战略合作框架协议。至2021年5月，TMSR主体工程已基本完工。核聚变能技术：东方超环与神光在发展核裂变能的同时，中科院还有一批科研人员在探索另一类未来先进核能技术——可控的核聚变能技术。“聚变能是核能发展的最终目标，聚变能可以为碳中和的实现作出重大贡献。”中科院合肥物质科学研究院副院长、等离子体物理研究所所长宋云涛说。核聚变相当于用力把一堆原子捏到一起，然后释放出能量。核聚变反应条件苛刻，不仅需要达到千万甚至上亿摄氏度的高温，还需要巨大的压力。因此，如何触发反应，是核聚变能技术的一大难点。彭子龙告诉《中国科学报》，中科院科研人员在核聚变能技术上有两个努力方向，一是磁约束的核聚变，二是惯性约束的核聚变。磁约束核聚变，是通过托卡马克装置产生强大的磁场，把等离子体约束在尽可能小的范围内并将其持续加热并维持在数千万甚至上亿度的高温，以达到核聚变对温度的要求。早在上世纪70年代，位于合肥的中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所就开始了核聚变相关研究，并于上世纪90年代启动磁约束的核聚变能技术——超导托卡马克的研究。2006年，被誉为“人造太阳”的东方超环正式建成，成为我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置。同年，以中科院为主导的中国团队加入国际热核聚变实验堆计划，成为全球探索“人造太阳”新能源队伍中的重要一员。2021年12月30日，东方超环实现7000万摄氏度下长脉冲高参数等离子体持续运行1056秒，这是人类首次实现人造太阳持续脉冲过千秒。惯性约束核聚变，是将聚变材料制成仅约一两个毫米的靶丸，然后从四面八方均匀射入高能激光束以持续压缩并最终引爆小球，形成微型“氢弹”爆炸，产生热能。为了验证这种原理，美国在2009年建成了国家点火装置（NIF）。在我国，上世纪60年代，中科院上海光学精密机械研究所开启了我国激光惯性约束核聚变能的研究历程。上世纪80年代，为了追赶国际研究的步伐，上海光机所开始了大型综合性激光装置——“神光”的预研工作，并于1986年建成，1994年装置退役后被称为“神光—I”。2000年和2015年，我国又先后建成神光—II激光装置和神光—III主机激光装置并投入使用。面向2060：科学家们的梦想从2011年至今的10多年里，“未来先进核裂变能”先导专项的发展历程与现状让彭子龙看到了中科院在开展先进核能技术方面的优势。“当初，我们酝酿研讨先导专项的时候，内心瞄准的是30年以后的事情。”彭子龙说，作为国立科研机构，中科院必须更加前瞻分析需求和挑战，基于科学本源、科学规律思考解决方案。在明确目标之后，中科院动员起了规模大、学科全的综合创新力量。“每个先导专项都是十几个研究所共同参与的。”彭子龙回忆。他感慨，作为国家战略科技力量，中科院的使命定位决定着其具有更强的创新能力和欲望。“国家要创新，中科院能创新。”彭子龙说。面向碳中和目标，科研人员又一次鼓足了干劲。作为先进核裂变能的研究者，詹文龙有一个梦想：在广袤无人的沙漠戈壁滩上，建一片清洁能源的绿洲，将太阳能、风能与更安全可靠的核能技术整合在一起，源源不断地向千家万户输出清洁无污染的电力能源。詹文龙介绍，他们已突破ADS关键核心技术，2020~2027年将高标准高质量按计划建成国家重大科技基础设施“加速器驱动嬗变研究装置”（CiADS）；针对ADRUF，同期建成模拟燃料示范的乏燃料干式处理生产线。同时，实现ADANES整体方案优化；突破强辐照下稀有同位素量产关键技术与工艺，开展精准放疗同位素的量产。按技术进展，到2032年，他们将突破ADRUF关键核心技术，完成热室系统建设并进行再生核燃料研发，并完成基于CiADS的燃烧示范；争取国家重大科技基础设施“高密度能源燃料研究装置”完成立项，建设超强宽谱辐照设施及相关核材料研发平台。到2035年后，他们将完成ADANES集成优化与工业应用示范，为碳中和提供硬科技支撑，并实现产业化。作为先进核聚变能的研究者，宋云涛也有一个梦想：10年内建成未来核聚变发电站的示范工程，真正实现聚变堆发电。“时间紧迫，中国有自己的‘时间路线图’。按照现有技术，用10年时间建成核聚变发电示范工程是完全可以实现的，用不了多久，人类就可以点燃核聚变这个‘大煤球’。”宋云涛说。无论是过去、现在还是未来，中科院的科研人员一直向着更安全、更可靠、更经济的核能技术努力。正是这些延续了10年、20年、半个多世纪的坚持，让中国先进核能技术的发展前景有望，让中国碳中和目标的实现未来可期。

4月27日，中科院合肥物质院核能安全所与北京师范大学核科学与技术学院合作交流会暨“强流核物理研究联合实验室”揭牌仪式举行。北京师范大学核科学与技术学院党委书记梁宏、党委副书记冉欣、副院长苏俊、廖斌，核能安全所党委书记、常务副所长郁杰，合肥物质院研究生处处长李贵明出席。 　　郁杰、梁宏共同为“强流核物理研究联合实验室”揭牌并致辞。双方参会人员并就联合实验室建设情况、研究生合作培养等工作进行了交流研讨，一致同意以联合实验室为依托，本着优势互补、合作发展的原则，围绕核天体物理、强流加速器技术、中子源应用技术、辐射探测技术等关联度高的特色学科方向，在前沿科学研究和培养高层次专业人才方面，深化学院研究所合作共建。 据悉，去年双方已经签署了在核科学与技术领域的合作协议，联合实验室的正式揭牌是双方合作协议有效落地的重要一步。联合实验室揭

核能具有绿色、高效、低碳排放和可规模生产的突出优势已被世人公认，从20世纪90年代开始，全球核能迎来发展的春天，而近年来我国更是将“积极发展”核能列入了中长期发展规划的战略重点之一。 　　据国家发展和改革委员会2007年10月通过的《核电中长期发展规划(2005-2020年)》，到2020年，我国核电运行装机容量争取达到4000万千瓦 仅仅3年之后的今天，这一目标已经不能满足社会经济发展的需要，据有关专家透露，到2020年，中国核电装机容量将达7000万～8000万千瓦，到2030年，核电装机将提高到2亿千瓦，2050年则将提高到4亿千瓦。 　　可以预见，我国核能长期持续发展的主要瓶颈是“核废料处理”、“核燃料稳定供给”和“核科学工程人才”。近来，中国科学院针对这些核心问题，提出了以建立ADS(加速器驱动的次临界系统)嬗变系统和钍基核能系统为最终目标的“未来先进核裂变能”战略性先导科技专项，希望通过开展基础性、前瞻性和战略性的先导专项研究，储备未来先进核能的核心技术和人才，并与我国已有或正在部署的其他重要内容一起，构成我国近中远相结合的核能发展完整布局，保障其长期持续发展。 　　利用ADS系统嬗变长寿命核废料 　　根据我国的核电中长期发展规划和相关预测，我国的核电发展速度将远远高于世界核电发展的平均速度。目前全球在建的28个核电站中，17个在亚洲，而我国就占其中的12个。 　　有关专家给记者算了一笔账：一座1GWe的核电站，按一年使用25吨浓缩铀计算，则每年卸出燃烧过的乏燃料约25吨，其中，可再利用的铀(其中含1%235U)约为23.75吨，钚约200公斤，中短寿命的裂变产物(FPs)约1吨，寿命长达百万年的次锕系核素(MAs)约20公斤，长寿命裂变产物(LLFPs)约30公斤。 　　目前，我国《核电中长期发展规划(2005-2020)》的调整方案正在等待国务院最后审批。其2020年的保守目标是运行75GWe(1GWe=1百万千瓦)、在建30GWe，努力目标则是运行80～100GWe。按保守目标估算，到2020年的核乏料累积存量为0.75万～1.25万吨 按努力目标计算，则达到2.0万～2.5万吨，其中钚160～200吨、MAs16～20吨、LLFPs24～30吨。 　　那么，在快速发展核电的同时，如何安全地处理处置长寿命核废料? 　　美国作为世界上核电规模最大的国家，采用的是被称为“一次通过”的方案，也就是核乏料从核电站反应堆内卸出并经冷却后，直接进行永久性地质深埋储存。该方案的出发点是不分离核乏料中的钚，以免核扩散 但这种方案也浪费了核乏料中仍可使用的核燃料，而且建设和运行地质处置库的成本极高。更为严重的是，核废料的放射性寿命长达上百万年，“在如此长的时间内，它们对整个生物圈的放射性危害难以预估和控制。”相关专家表示。因此，美国的“尤卡山计划”在实施22年后于2009年9月被奥巴马政府终止。 　　法国是世界上核电占全国总发电量比例最高的国家，达到80%。因此法国极为重视核废料的安全处理处置问题，多年来一直致力于建立和完善被称为“闭式循环”的核燃料循环技术，即对核乏料进行分离，把其中96%～97%的铀和钚再制成核燃料棒进行循环使用，把另外3%～4%的长寿命和高放射性核废料(主要是次锕系元素和裂变子核)进行地质永久深埋。“这种办法可大幅度降低需要地质处置的核废料的体积，但仍没有解决核废料的长周期放射性问题。”专家表示。 　　为更好地解决核废料的长寿命放射性问题，目前国际核能界正致力于发展核的嬗变技术，以便于进一步对分离出来的核废料在经嬗变(使其放射性寿命从数百万年降低到约700年)后再地质深埋，从而使人们在现有的技术条件下能够较好地保证安全处置核废料，消除公众对核废料污染的疑虑。 　　快中子反应堆(简称快堆)和ADS系统原则上都能嬗变核废料。据国际原子能机构研究认为，ADS系统具有更高的中子余额和更硬的中子能谱，对嬗变更有利，是安全处置核废料最有潜力的工具。我国也曾就此组织多次院士咨询，结论是“从我国核能可持续发展战略中的地位看，快堆侧重于核燃料增殖，ADS侧重于核废料嬗变，是比较合理的选择”。 　　据介绍，ADS系统研究是目前国际核能界的热点。为确保核能的长期持续发展，我国也需尽早制定ADS发展路线图，而中科院正是瞄准这一国际研究前沿和热点，计划展开系统性攻关。 　　挖掘钍资源潜力 　　自然界中天然存在的核燃料仅有铀-235一种，而且其在天然铀中的含量很低(约0.7%)，因此，全球的铀-235核燃料资源量是十分有限的。国际原子能机构在2009年的相关报告中按全球约2TW(1TW=1000GW)的核电规模估算，铀-235资源还可供人类使用50～80年。因此要实现核能的长期可持续发展，就必须实现核燃料来源的多样化，保障核燃料的稳定供应。 　　铀-238是可人工转换的核燃料，在天然铀中的含量高达99.3%。利用快堆可使铀-238转变为钚-339，后者再吸收中子后即开始裂变并释放能量。理论上利用快堆可使铀核燃料的利用效率比压水堆提高60倍左右，据此估算铀-238可供人类使用上千年。 　　由于铀钚燃料循环过程中会产生大量的钚，因此需要特别重视防止核扩散 另外，其费用也比较高。据悉，我国第一座快堆——“中国实验快堆(CEFR)”在今年7月21日首次达到临界，使我国成为世界上第八个拥有快堆技术的国家之一，标志着我国先进核能系统技术的重大突破。 　　钍-232是另一种可人工转换的核燃料，它在吸收一个中子之后将转变为铀-233。后者的中子产额很高，比铀-235和钚-239更具优势，可据此形成钍铀燃料循环，而且钍铀转换过程伴有强γ辐射，可有效防止核扩散。特别值得指出的是，地球上的钍资源量是铀的3～4倍，而我国的钍资源蕴藏是比较丰富的。我国已查明的钍资源工业储量28万多吨(ThO2)，其中75%以上在白云鄂博的主东矿区。 　　但目前钍并未被当做核燃料资源得到应有的重视，流失十分严重。2005年，徐光宪、师昌绪、何祚庥等15位院士向国务院提交了《关于保护白云鄂博矿钍和稀土资源避免黄河和包头受放射性污染的紧急呼吁》，建议保护白云鄂博矿钍和稀土资源，避免黄河和包头遭受放射性污染，同时提出研究开发钍铀-233循环堆。该建议很快得到了国务院总理温家宝批示：“这个建议很重要，请国家发改委阅办。”专家认为，开发利用钍资源的核能价值，不仅可扩大核燃料的来源，还可解决稀土开采中的钍资源流失和放射性环境污染问题。 　　国际原子能机构对钍燃料循环的优点持肯定态度。早在2005年4月，国际原子能机构就有报告指出，钍铀循环不仅产生低放废料，且消耗低 钍铀循环转换效率比铀钚循环更高 钍铀循环可在更宽的中子谱内进行 钍基燃料的在堆性更好 钍基核废料的长期暂存和永久储存处理较简单 此外它有利于更彻底地消耗钚、废料的放射性毒性。我国科学家对此也十分重视，2007年中科院在《21世纪上半叶我国能源可持续发展体系战略研究》中提出了设立以钍资源利用为重点的国家重大专项的建议 2008年国家能源局也建议设立钍资源核能利用国家级科研专项。 　　目前，核能发达国家均制定了钍资源利用的长期计划，积极推进相关研究。以印度为例，印度的钍资源比中国更丰富，印度已制定了三阶段核能发展计划，并计划在2050年左右实现大规模商业应用。他们建立了使用铀-233燃料的Kamini研究堆，并在Trombay的研究堆和重水堆中辐照钍燃料 同时也在积极推进先进钍燃料重水堆(AHWR)的设计与开发。日本也于2008年10月牵头并联合美、法等成立了钍基熔盐堆国际合作论坛，确定了研究战略，制定了路线图并提出综合钍基熔盐核能系统的设想。其他欧盟数国、美国、加拿大等也都推出了相关研究计划。 　　要开发利用钍-232的核能价值，就必须掌握钍的完整的核数据，深入理解和掌握从钍-232到铀-233的转换规律，同时要研究适应钍的特点的反应堆。据介绍，我国从上世纪60年代开始，曾开展过30多年的钍铀循环基础研究，但总体上基础仍然很薄弱。 　　路线图清晰 　　在采访中，记者看到对于开展钍基核能系统和ADS嬗变系统两大内容的战略性、前瞻性、基础性研究，中科院已经有一个清晰的科技发展路线图。 　　在ADS嬗变系统方面，中科院初步拟定了三阶段计划，分别在2016年、2022年和2032年前后，先后建成预研装置、实验装置和示范装置 此后将进入技术转移及商业应用和推广阶段。 　　在钍基核能系统方面，计划在到2015年左右的第一阶段，集中力量加强钍铀循环和熔盐反应堆技术的基础研究和技术攻关，在此后的2020年和2030年前后，力争完成10兆瓦的钍基熔盐原型堆和100兆瓦的示范堆。