作者:潘希 来源:科学时报 发布时间:2010-6-17 9:21:16
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詹文龙院士:安全高效是核能可持续发展保障
 
“核电的主要过程是核燃料循环的过程,包括核燃料来源及制备、核电机组和核乏料处理等。在整个过程中,核安全性是重中之重,也是核电可持续发展的关键。”中科院副院长、中科院院士詹文龙在日前举行的中科院第十五次院士大会综合报告中作上述表示。
 
核裂变能是一种成熟、清洁、安全和有经济竞争力的能源,也是我国能源发展的重要组成部分,有助于应对气候变化、减少温室气体排放和减少空气污染。
 
目前,核裂变能主要用于发电,全球共有430多座核电机组在运行,总装机超过370GWe(千兆瓦发电量),提供全球约16%的电力,有40多座发电反应堆正在建设。
 
“核安全是核电最重要的前提条件,也是核电投入高的最主要因素。”詹文龙再次强调了核安全的重要性。
 
提高核燃料使用效率
 
在国际上,核辐射事件根据严重性分为不正常、事件、严重事件、局部事故、多重事故、严重事故和重大事故等7个等级。1986年,苏联发生的切尔诺贝利核泄漏事故就是重大事故;1979年,美国发生的三厘里岛事故是反应堆发生严重堆芯熔化,属多重事故。
 
据了解,大多数发达国家核电站总发电量的比例较高,法国有75%以上,美国约有20%。我国核电已建成发电用反应堆11座,总装机9.1GWe;估计到2020年,运行70GWe,在建30GWe,是目前世界上核电在建规模最大的国家。
 
几十年来,核电站中的核燃料使用基本是一次性通过循环。“虽然这在短期内降低了核乏料后处理的难度和成本,也减小了核扩散的可能性,但是,大量的核乏料寿命长达百万年,使人们无法保证核乏料包装材料长久的坚固性或因地质扩散等影响到的安全可靠性。”詹文龙说,美国尤卡山计划就是一个典型的例子。
 
目前,国际上运行的核电主要核反应堆属于二代堆型,在建的将是更安全可靠的三代堆型。第四代核反应堆代表核电发展的方向,即追求安全性、可持续性、经济性并防止核扩散。
 
詹文龙介绍说,我国四代核反应堆的研究有国际上推荐的6种堆型之一的钠冷快堆和介于三代、四代间的高温气冷堆,随着进一步研究也将有铅冷快堆、熔盐堆等。
 
因此,国际原子能组织和大多数有核电国家认识到,必须采用核燃料的多次封闭循环使用。
 
詹文龙解释说:“这不仅可对核乏料进行嬗变处理,也可提高核燃料的使用效率,如果采用硬中子谱的反应堆,特别是加速器驱动的次临界堆系统(以下简称ADS)进行核废料嬗变,可使核废料放射性寿命由数百万年降到约700年,使地质处理及其材料封装成为可能,保证了核废料处理的科学可行性,也使ADS系统产生的90%的电能供给电网使用。”
 
现在,有能力对核废料进行处理的方法,有快中子反应堆和ADS系统(每个ADS系统可处理大于10台等功率压水堆的核废料能力)。考虑到这两种系统的特点和性价比,国际原子能组织认为ADS更适合于燃烧核乏料,中国科学院院士咨询委员会也建议:快堆侧重于核燃料的增值,ADS系统侧重于处理核废料。
 
3种途径丰富核燃料供应
 
此外,詹文龙指出,尽管国际原子能组织的资料显示,现有铀矿储量可提供80年以上的需求,但由于我国铀储量偏少,再考虑2050年中国规划的核电总量,就可能比现有全球核电总量还要大,因此,保证核燃料的长期稳定供给,也是我国核裂变能可持续发展的重要瓶颈之一。
 
詹文龙认为,目前除了进一步勘探和购进国外的核燃料等商业操作外,提高核裂变能燃料供应的主要途径有以下几种。
 
第一,由于铀235在自然界的丰度只有0.72%(铀238丰度高达99.27%)。采用快堆的高能谱中子使铀238和快中子复合反应并衰变产生镎239,再经过衰变生成钚239,通过放射化学分离出钚形成完整的铀钚循环,可使铀钚循环的核燃料增值约60倍。
 
铀钚循环技术所涉及的快中子反应堆和放射分离技术都比较成熟,快堆已经进入试验运行阶段,但这种使核燃料增值的途径,一方面会提高生产成本,另一方面也没有减少核扩散的可能性。
 
第二,作为核裂变能的另一循环是钍铀循环,钍232在反应堆中与中子进行复合反应衰变后产生镤233,再经过衰变生成铀233,进而通过放射化学可分离出铀233形成完整的钍铀循环。由于自然界的钍是100%的同位素钍232,加上世界上钍矿藏约是铀的3倍,且我国钍储量较丰富,采用钍铀循环可使核燃料增值上百倍。
 
至今,钍铀循环的科研比较有限,钍铀循环的乏料的处理较困难,估计在一定时间内钍燃料只能是一次通过,然而,这也使钍铀循环的核燃料难以用于核武器制造,即避免了核扩散。
 
第三,由于溶在海水中的铀酰离子含有约45亿吨的铀,比现已探明的约470万吨铀矿高出近千倍,但海水中的铀含量极低(十亿分之几),使得长期以来这方面没有得到重视。日本高崎研究所经过长期不懈的研究,从海水中富集得到了公斤级的铀,成本约是现在铀矿的3倍多,这种富集的方法使海水或盐湖水提铀成了提供铀燃料的一种潜在途径。另外,利用先进的方法浓缩铀也可能增加数十个百分点的浓缩效率并降低成本。
 
“然而,在技术问题解决后,由于核燃料在核电成本中占大约3%,哪种途径被采纳将取决于进度与综合的性能价格比。”詹文龙说。
 
反应堆中核燃料的高燃耗和先进核反应堆是核电追求的目标。詹文龙说,二代核反应堆的最初设计寿命为30年,现在运行到40年并追求60年的运行寿命,核燃料换料的周期也由原来的12个月增加到18个月,进而将增加到36个月。
 
“这不仅可提高核电的经济性,也可减少核乏料的数量,其关键的问题是材料。”因此,詹文龙认为,抗辐照材料研究是研究先进核反应堆的核心科学问题。
 
抗辐照材料的主要研究目标是探索耐高辐照、高腐蚀、高温度的材料。詹文龙认为,现代大科学装置给抗辐照材料研究提供了前所未有的科学工具,如高通量反应堆、散裂中子源和重离子加速器,给辐照材料提供了难得的条件;先进的光源、中子源、强磁场、核磁共振、电子扫描谱仪等,提供了高分辨多功能的表征手段。
 
核能用途广泛
 
先进的核裂变能除了在核电、国家安全方面的应用外,核裂变能可以转化成高效洁净的二次动力能源和化工原材料,如高温气冷堆近千摄氏度的高温,是高效生产氢的重要途径,氢不但可作为新的动力能源在应用中节能减排,也可作为化工的重要原材料被高效应用。
 
詹文龙认为,如果核扩散问题可以得到较好控制,核反应堆具有很多综合应用的前景,如在供热取暖、淡化海水等方面,都有其他途径难以达到的经济效益和环境友好性。
 
此外,小型核反应堆也有很多应用。例如,作为中子源可以用于科学研究,如辐照材料、材料表征、生物研究等;也可用于治疗肿瘤,如利用硼与中子反应具有很大俘获截面的特点,把硼作为引导药注入肿瘤边缘再进行中子辐照,这种手段对复杂肿瘤形状如脑部线状肿瘤,尤具独到疗效。
 
而且,核反应堆可以利用中子的俘获和衰变反应来生产同位素,这些特殊的同位素可以用于航天或特殊电源的供应,也可广泛用于伽马射线医疗、消毒和食品保鲜等。
 
“如衰变寿命为87.7年的同位素钚238,就是深空航天最合适的能源;同位素钴60既可用于最普遍的放射治疗、食品保鲜,也可用于医疗器械消毒等。”詹文龙说。
 
《科学时报》 (2010-6-17 A1 要闻)
 
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