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| 核電前沿技術迷局 |
| 時間：2010/11/19 |
科學時報：核電前沿技術迷局
1942年12月2日，美國芝加哥大學足球場西看臺下的一個室內(nèi)網(wǎng)球場里，費米領導他的團隊成功完成了第一座原子核反應堆的首次自持鏈式反應實驗。此時的他，可能并沒有想到，人類會由此出發(fā)，在探索利用核能技術提供日常能源的道路上走得那么遠。
1954年，蘇聯(lián)建成電功率為5000千瓦的實驗性核電站；1957年，美國建成電功率為9萬千瓦的希平港原型核電站，開啟了第一代核電站開發(fā)與建設的序幕。
經(jīng)過幾十年的發(fā)展，核電技術已由第一代走到第四代。不僅如此，圍繞著核燃料的穩(wěn)定供應、核廢料的安全處置等問題，新的技術方向也在不斷涌現(xiàn)。與此同時，核聚變發(fā)電也正在由夢想變?yōu)楝F(xiàn)實。在由林林總總、神秘難解的核電前沿技術構成的迷局中，風到底在往哪個方向吹呢？
從第一代到第四代：問題在不斷變化
當《科學時報》記者在徐銤的辦公室里見到他的時候，這位中國試驗快堆工程指揮部的總工程師剛從日本回來。他此次赴日，是參加由日本主辦的以快堆為主題的國際顧問會議，目前正在發(fā)展快堆的法國、印度、韓國等六個國家的代表悉數(shù)到場。快堆建設的火熱程度由此可見一斑。
作為世界上第四代先進核能系統(tǒng)的首選堆型，快堆代表了第四代核電技術的發(fā)展方向。第四代核電技術包括6種堆型，分別是鈉冷快堆、鉛冷快堆、氣冷快堆、超臨界水堆、熔鹽堆和超高溫堆，其中快堆就占了3種。由徐銤所在的中國原子能科學研究院自主研發(fā)的中國第一座快中子反應堆中國實驗快堆屬于鈉冷快堆，而鈉冷快堆是所有堆型中的“種子選手”，已建過18座，其余的堆型尚停留在技術研發(fā)階段。
從第一代到第四代，推動核電技術不斷向前發(fā)展的動力主要源自哪里？徐銤告訴記者：“對核電技術來講，安全是最重要的。”
我國從上世紀70年代發(fā)展第一代核電技術伊始，就十分注重安全性問題。鑒于原子彈爆炸所產(chǎn)生的巨大破壞力，人們擔心核電站也潛在類似的威脅，對核能產(chǎn)生裝置（如核電站）在運行過程中產(chǎn)生的各種放射性核素的輻射問題十分關注。因此，第一代核技術的首要目標就是解決安全問題，而這也貫穿了核電技術發(fā)展的始終。
上世紀七八十年代是核電工業(yè)的黃金年代，因石油漲價引發(fā)的能源危機促進了核電的發(fā)展。國際原子能機構（IAEA）提供的數(shù)據(jù)顯示，世界新增核電站的速度在1985年達到頂峰。目前，世界上商業(yè)運行的400多座核電機組絕大部分是在這段時期建成的，稱為第二代核電機組。徐銤認為，隨著第二代核電技術的發(fā)展，除了安全性之外，人們也開始考慮經(jīng)濟性問題。這兩個問題也是第三代核電技術致力解決的主要目標。
1986年切爾諾貝利事件讓核工業(yè)進入了歷史上最寒冷的冬天，新建核電站數(shù)量直線下降。因為舊核電站退役的緣故，1998年的核電總裝機容量甚至出現(xiàn)了負增長。由于大部分現(xiàn)役核電站都是在上世紀七八十年代興建的，而老式核電站的設計年齡大都不超過40年，核電站的退役高峰期即將來臨。
進入21世紀后，核電行業(yè)又被注射了一針強心劑，那就是全球氣候變化。作為一種當之無愧的清潔能源，對有減排壓力的國家來說，建核電站又有了一個新的理由。自2004年開始，核電復興的浪潮漸漸成形。全世界現(xiàn)有42座用于發(fā)電的核動力堆正在建設，預計2010年～2020年期間，全球將會建設更多的核電站。
徐銤認為，正是在核電大規(guī)模建設和核廢料處理的雙重壓力下，催生了以快堆為代表的第四代核電技術的快速發(fā)展，而其主旨就是要解決核電的可持續(xù)發(fā)展問題。
可持續(xù)發(fā)展：快堆的“雙管齊下”
據(jù)國際原子能機構最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2010年5月，全世界共有438座反應堆在運行。這些反應堆絕大多數(shù)是由熱中子引發(fā)裂變反應，因而又被稱為熱堆。熱堆消耗的主要核燃料是鈾235。自然界中鈾235的蘊藏量僅占0.71%，其余絕大部分是鈾238，占99.2%。
徐銤告訴記者，大力發(fā)展核能已成為我國能源中長期發(fā)展規(guī)劃的戰(zhàn)略重點。目前，我國現(xiàn)役的核電機組有11個，裝機容量為9.1吉瓦，占全國發(fā)電總量的1.3%。按照國家發(fā)展改革委最新的核電發(fā)展規(guī)劃，2020年我國在役核電機組將達到70座以上，裝機容量達到70吉瓦，占總裝機容量的5%以上。據(jù)估計，2030年核電比例將達到約10%；2050年將可能超過400吉瓦，比目前全世界核電裝機容量的總和還要多。
“這將給核燃料供應帶來極大挑戰(zhàn)。”徐銤說，如果繼續(xù)采用熱堆技術，240吉瓦壓水堆運行60年就需要240萬噸天然鈾，而全世界每公斤130美元以下的鈾資源只有不足500萬噸。
鈾資源有限，又需要發(fā)展大規(guī)模核能，徐銤指出，在這種情況下，唯一的辦法是盡力發(fā)展壓水堆，總裝機容量越大越早越好，為快堆提供初裝钚，同時加快發(fā)展快堆，通過良性的產(chǎn)業(yè)循環(huán)，提供更多日常能源。
據(jù)介紹，快堆技術之所以能夠破解鈾資源難題，是因為快堆的燃料不是鈾235，而是钚。钚產(chǎn)生裂變反應時放出來的快中子，被裝在快堆堆心外圍再生區(qū)的鈾238吸收，變?yōu)殁?39。鈾239經(jīng)過幾次衰變后轉化為钚239。在大型快堆中，平均每10個鈾235原子核裂變可使12至15個鈾238轉變成钚239。這樣，钚239裂變，在產(chǎn)生能量的同時，又不斷地將鈾238變成可用燃料钚239，而且再生速度高于消耗速度，核燃料會越燒越多，快速增殖，所以這種反應堆又稱快中子增殖堆。
國際原子能機構提供的數(shù)據(jù)顯示，發(fā)展快堆，可以將鈾資源的利用率提高到60%～70%。這也使得更貧鈾礦有了開采價值，世界上可采的鈾資源將提高1000倍。
“另外，如果采用快堆技術，就不需要尤卡山這樣的地方了。”徐銤說。今年3月，美國耗資90億美元、歷時22年建設的尤卡山計劃終止了。該計劃的初衷是要解決永久性掩埋核廢料的問題。
徐銤解釋說，壓水堆核燃料在燃燒之后，會產(chǎn)生具有高放射性的乏燃料，其處置需要耗費巨大資金。不過，如果將乏燃料進行處理，放入快堆中回收利用，放射性物質的衰變期將從幾百萬年變?yōu)閮扇倌辏瑫r還能大大減少核廢物處置量，由此降低乏燃料貯存的長期風險。
對于利用快堆技術解決核廢料，徐銤充滿了信心：“從2030年開始，每隔10年建6個較小的用于嬗變的快堆，把高放廢物變成一般的裂變產(chǎn)物。這樣做的話，核廢料就不成問題了。”
先進裂變核能：剛剛起步的長征
今年1月，中國科學院宣布，今年將啟動5個先導科技專項，其中之一就是未來先進核裂變能。
不管是對學術界還是產(chǎn)業(yè)界而言，“先進核裂變能”都是一個新鮮的詞匯。對此，在接受《科學時報》記者采訪時，中國科學院基礎科學局大科學工程與核科學處副處長彭子龍的解釋是：“"未來先進核裂變能"專項的定位，就是瞄準核燃料的穩(wěn)定供應和核廢料的安全處置兩大關鍵問題，開展釷基核能系統(tǒng)和加速器驅動次臨界系統(tǒng)（ADS）嬗變系統(tǒng)兩大內(nèi)容的前瞻性、基礎性研究，儲備未來先進核能的核心技術和人才，并與我國已有或正在部署的其他重要內(nèi)容一起，構成近中遠相結合的核能發(fā)展完整布局，保障其長期持續(xù)發(fā)展。”
彭子龍表示，該專項的目標之一是要滿足核燃料多樣化的要求。與鈾238類似，釷232也是潛在的核燃料，它吸收一個中子后轉變?yōu)橐琢炎兊拟?33。與現(xiàn)有的核電前沿技術相比，基于釷鈾燃料循環(huán)的釷基核能系統(tǒng)具有許多突出優(yōu)勢。例如，釷資源豐富，地殼中的釷儲量是鈾的3～4倍，我國的釷資源已探明儲量居世界前列，同時核廢料少、放射性低等。
“專項的另一目標是要徹底解決核廢料的長周期放射性問題。”彭子龍說，目前國際核能界正致力于發(fā)展核的嬗變技術，以便于進一步對分離出來的核廢料在經(jīng)嬗變（使其放射性壽命從數(shù)百萬年降低到約700年）后再地質深埋，從而使人類能夠在現(xiàn)有的技術條件下（特別是材料）較好地保證安全性。
就理論而言，快中子反應堆和ADS系統(tǒng)都能嬗變核廢料。不過，據(jù)彭子龍介紹，國際原子能機構研究認為，ADS具有更高的中子余額和更硬的中子能譜，對嬗變更有利，是安全處置核廢料最有潛力的工具。在多次組織院士就此問題咨詢時，得出的結論是：“從我國核能可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的地位看，快堆側重于核燃料增殖，ADS側重于核廢料嬗變，是比較合理的選擇。”
在徐銤看來，對釷基核能系統(tǒng)的研究現(xiàn)在還只是處于科研階段，還有大量的基礎工作要做。作為未來核電技術的一種替代性選擇，目前可以著手進行一些預研性工作，為未來的發(fā)展指明方向。
談及ADS系統(tǒng)，徐銤表示，中國原子能科學研究院已與中國科學院高能物理研究所就此展開相關合作，但具體項目尚未啟動。
核聚變：不會是終極
國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）被人們形象地稱為人造太陽，其目的是建造一個聚變實驗堆，探索利用聚變能發(fā)電的科學和工程技術可行性，為實現(xiàn)聚變能商業(yè)應用奠定基礎。
中國工程院院士萬元熙是ITER科學技術顧問委員會主席和總體控制與協(xié)調(diào)中方代表。在接受《科學時報》記者采訪時，他表示，半個多世紀以來，核聚變研究在全世界核聚變界的共同努力下，取得了重大進展，而其最大的成績就是建設了ITER。
萬元熙并不諱言，對于ITER，在國內(nèi)和國際上都一直存在著支持和反對兩派。他認為，反對的主要原因是因為ITER需要吸納相當多的科研經(jīng)費，而這會影響到其他項目的經(jīng)費投入。“實際上，反對者很多都不是這個領域的。”萬元熙說。
ITER是托卡馬克型聚變實驗反應堆。托卡馬克是俄語環(huán)形磁容器的簡稱，是核聚變物理實驗裝置，其原理是利用環(huán)向磁場對等離子體進行約束，在這個環(huán)形磁容器內(nèi)將聚變?nèi)剂霞訜嶂翗O高溫，進而實現(xiàn)可控核聚變。
2006年9月26日，由萬元熙主持完成的EAST超導托卡馬克聚變實驗裝置首次成功放電，標志著世界上第一個全超導非圓截面托卡馬克核聚變實驗裝置已在中國首先建成并正式投入運行。對此，萬元熙謙虛地表示：“如果將ITER比作未來的大天鵝，那EAST就是小麻雀。麻雀雖小五臟俱全，EAST裝置對ITER的物理基礎和運行，特別是在長脈沖穩(wěn)態(tài)運行方面將作出重要貢獻，因而受到世界的重視。”
對于EAST的目標，萬元熙作了這樣一個比喻，如果將ITER初期釋放能量的方式比作一閃一閃的霓虹燈，而EAST想做的就是為ITER連續(xù)運行提供某些物理和工程技術基礎。雖然目前ITER距離未來實用能源還有一段距離，但EAST可以提供一些先行的經(jīng)驗。
萬元熙自豪地表示，現(xiàn)在全世界研究核聚變最著名的研究所所長都來和我們中國年輕的所長一起探討工作，這說明中國確實已開始在核聚變研究方面發(fā)揮作用。
萬元熙認為，對ITER來說，最重要的是要用一切辦法實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行，以便能夠獲得可供人類使用的聚變能量，而不僅僅是短暫的聚變功率。這不只是研究的問題，還在于各國投多少錢。因為ITER現(xiàn)在已經(jīng)不只是擺在實驗桌上的設備，而是需要在最后工業(yè)化應用之前進行中試、大試，而這必然需要投入大量經(jīng)費。“雖然20年前ITER就已具備物理工程基礎，但因為風險大、需要的經(jīng)費多，所以一直在探討，沒有及時作出建造決定”。
2006年，歐盟、美國、俄羅斯、日本、中國、印度和韓國7方簽訂了建造ITER的合作協(xié)議，標志著該項目的啟動。ITER項目預期持續(xù)30年，10年做工程建設，20年用于運行，最初估計建造總經(jīng)費約50億歐元，其中歐盟承擔約46%，其余6方各承擔9%。
然而，今年5月，歐盟委員會發(fā)布的一份備忘錄稱，ITER項目經(jīng)費由于材料費用劇增和增設安全設施等諸多因素，導致歐盟自己的預算經(jīng)費嚴重不足，外界因此議論：經(jīng)費增加可能使項目面臨下馬危險。
對此，萬元熙表示，目前這一問題已得到妥善解決。今年7月27日～28日，在法國卡達拉舍召開的ITER理事會特別會議上，各參加國已批準ITER項目建設的總經(jīng)費計劃。作為參加ITER項目的一方，歐盟自己將從第七框架計劃（FP7）2012～2013年的研究經(jīng)費中重新分配4.6億歐元用于ITER項目，此外再從歐盟尚未使用的預算中轉移4億歐元，剩余5.4億歐元來源將在2010年10月進行預算協(xié)調(diào)時予以確認。至此，ITER項目經(jīng)費問題已塵埃落定，全部經(jīng)費約增加20%左右。
談及核裂變與核聚變的關系，萬元熙坦陳，核聚變是未來能源，目前不可能替代裂變。在提供能源方面，核裂變和核聚變技術的發(fā)展并不會沖突，而是可以互相促進。“而且，就核反應或核技術而言，目前以氘氚為基礎的核聚變也不會是終極。未來也許還會出現(xiàn)更有挑戰(zhàn)、更加理想的核聚變能源，為人類提供更加"清潔"的新能源”。
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