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        在后處理和快堆取得成就的基礎(chǔ)上加快推進(jìn)我國核燃料循環(huán)體系建設(shè)
        發(fā)布者:admin  來源:  發(fā)布時(shí)間:2011/6/10

          引言

          2011年1月3日及以后的幾天里,國內(nèi)各大媒體以很大的篇幅報(bào)道了我國乏燃料后處理中試廠熱調(diào)試成功的新聞,并將此解讀為“中國核技術(shù)大突破,鈾利用率猛增60倍,中國鈾資源夠用3000年”。

          使這一新聞在國內(nèi)外引起了強(qiáng)烈反響,海內(nèi)外出現(xiàn)了各種各樣的評論。

          為此,有必要就后處理、快堆及整個(gè)核燃料循環(huán)情況做一個(gè)介紹和說明。

          一、經(jīng)過核工業(yè)戰(zhàn)線的艱苦努力,我國在后處理和快堆方面取得了重大技術(shù)進(jìn)步

          經(jīng)過20多年來的不懈努力,我國自主設(shè)計(jì)和建設(shè)的動(dòng)力堆乏燃料后處理中試廠經(jīng)歷了許多曲折與磨難(包括一些非技術(shù)因素),我國核科技人員克服了一個(gè)又一個(gè)困難,終于取得了今天熱調(diào)試的成功,這確實(shí)是一次重要的技術(shù)突破,標(biāo)志著我國已初步掌握了動(dòng)力堆(熱堆)乏燃料后處理技術(shù)。無疑這極大地鼓舞了國內(nèi)后處理技術(shù)研發(fā)隊(duì)伍的士氣,參與中試工程的幾個(gè)單位的全體同志所取得的這一重要技術(shù)進(jìn)步值得慶賀,他們奮發(fā)圖強(qiáng)、艱苦奮斗的創(chuàng)業(yè)精神值得弘揚(yáng)。

          但是,在充分肯定我們?nèi)〉昧酥匾M(jìn)展的同時(shí),必須清醒地認(rèn)識到,熱試成功之后,我國在后處理方面依舊面臨著一系列任務(wù):(1)中試廠的運(yùn)行及取得經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù);(2)設(shè)計(jì)、建造熱堆乏燃料商用后處理廠;(3)研發(fā)并設(shè)計(jì)、建造快堆乏燃料后處理廠。還必須指出,后處理僅是核燃料閉式循環(huán)工業(yè)體系的一個(gè)環(huán)節(jié)。盡管后面還有很多工作要做,但中試廠熱試成功確是我國動(dòng)力堆乏燃料后處理從無到有、非常重要的一個(gè)突破。

          中國實(shí)驗(yàn)快堆是國家863計(jì)劃重大項(xiàng)目,并于2006年列入了國家中長期發(fā)展規(guī)劃。中國實(shí)驗(yàn)快堆于2010年7月實(shí)現(xiàn)首次臨界,這是我國核科技工作者經(jīng)過20多年的努力取得的又一個(gè)重大技術(shù)突破,是我國快堆技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中的一個(gè)重大進(jìn)展。我國是繼美、俄、法、英、日本、印度、德國等7個(gè)國家后第8個(gè)建成快堆的國家。在國內(nèi)外引起重大反響,入選由557名院士評選的2010年十大科技進(jìn)展,入選2010年度國防科技工業(yè)十大新聞。

          中國實(shí)驗(yàn)快堆建成臨界,實(shí)現(xiàn)了當(dāng)初設(shè)定的“建立裝置、掌握技術(shù)、培養(yǎng)人才、開展實(shí)驗(yàn)”的目標(biāo),為下一步快堆技術(shù)開發(fā)、快堆實(shí)用化推廣以及閉式燃料循環(huán)體系建立打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),目前中國原子能科學(xué)研究院正在國家科技部、國防科工局、國家能源局以及中核集團(tuán)的領(lǐng)導(dǎo)下開展進(jìn)一步研發(fā)工作。

          但是,這僅僅是我國快堆發(fā)展的第一步,從技術(shù)研發(fā)來講,快堆技術(shù)的發(fā)展也是分階段進(jìn)行的。首先是基礎(chǔ)研究,然后是實(shí)驗(yàn)堆、原型堆、示范堆、商用堆,逐步從科研到工程再到商用推廣。從世界范圍來看,現(xiàn)有技術(shù)已走到示范堆階段。對于后發(fā)國家來說,可以在自身積累和借鑒國際經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

          所以,對于各種不同的聲音,我們首先必須充分肯定后處理和快堆技術(shù)已取得的重要突破,贊揚(yáng)我國廣大核科技人員無私奉獻(xiàn)的精神;其次,在對后處理技術(shù)突破的宣傳上有些細(xì)節(jié)欠嚴(yán)謹(jǐn),從而引起了大家的一些誤解,對此應(yīng)予以糾正。但在糾正時(shí),不應(yīng)走極端,甚至全盤否定我們多年的研究成果,否定我國經(jīng)過多年科學(xué)論證確定的國家核能發(fā)展戰(zhàn)略。

          二、只有建立快堆核燃料循環(huán)體系,才能充分利用鈾資源、確保我國核能可持續(xù)發(fā)展

          如前所述,后處理僅是核燃料閉式循環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)。

          實(shí)現(xiàn)核裂變能可持續(xù)發(fā)展的兩大先決條件是鈾資源的充分利用和核廢物的最少化。地球上已探明的常規(guī)鈾資源(一般指品位高于0.1%的鈾礦)儲量不到500萬噸。按全世界正在運(yùn)行的430余座核電站目前的燃料使用水平(6—7萬噸天然鈾/年),如果采用核燃料一次通過的循環(huán)方式,地球上的鈾儲量僅可供使用70年左右,其鈾資源的利用率不到1%。核燃料一次通過循環(huán)方式的另一個(gè)問題是,將約占4%的乏燃料中的廢物(裂變產(chǎn)物和次錒系元素)與占96%的有用資源(鈾、钚等)一起直接進(jìn)行地質(zhì)處置,除了浪費(fèi)資源,還將大大增加需要地質(zhì)處置廢物體積。即使按照全世界目前的核電站乏燃料卸出量(約1萬噸/年)估算,“一次通過”循環(huán)方式需要全世界每6—7年就建造一座規(guī)模相當(dāng)于美國尤卡山庫(設(shè)計(jì)庫容7萬噸)的地質(zhì)處置庫。只要全世界核電裝機(jī)容量增加1倍,則就需每3—4年左右建設(shè)一座地質(zhì)處置庫,這顯然是難以承受的負(fù)擔(dān)。而且,乏燃料中包含了所有放射性核素發(fā)熱源,單位體積廢物所需的處置空間大。由于乏燃料中包含了所有的放射性核素,其長期放射性毒性很高,要在處置過程中衰變到天然鈾礦的放射性水平,將需要10萬年以上,如此漫長的時(shí)間尺度帶來諸多不可預(yù)見的不確定因素。所以,“一次通過”方式對環(huán)境安全的長期威脅極大。

          只有通過核燃料的閉式循環(huán),才能提高鈾資源的利用率,減少高放廢物體積。這其中快堆和后處理兩個(gè)環(huán)節(jié)最為關(guān)鍵??於芽梢岳闷渲凶幽茏V比較硬的特點(diǎn),將鈾238轉(zhuǎn)換成钚239,同時(shí)將長壽命次量錒系元素進(jìn)行嬗變。后處理可以將乏燃料中的鈾、钚、次量錒系元素和裂變產(chǎn)物分開,從而加以分別利用和處置。目前,國際上主要核能國家(如法、英、俄、日、印、中)均選擇核燃料閉式循環(huán)的技術(shù)路線。熱堆核電站乏燃料經(jīng)后處理提取的鈾和钚,如果返回?zé)岫阎醒h(huán)使用,則鈾資源的利用率僅能比原有利用率有少許提高,核廢物的體積和毒性分別降低約4倍;如果在快堆中多次循環(huán)使用,則鈾資源利用率總體可提高至60%,核廢物的體積和毒性可降低1—2個(gè)數(shù)量級。這意味著,采用快堆技術(shù)及其相應(yīng)的先進(jìn)核燃料閉式循環(huán),可以使地球上低開采成本的鈾資源利用幾千年,并有利于實(shí)現(xiàn)廢物最少化和廢物安全地質(zhì)處置。由此可見,熱堆閉式循環(huán)還不足以實(shí)現(xiàn)核裂變能可持續(xù)發(fā)展,只有通過快堆及其燃料閉式循環(huán)(或快堆核能系統(tǒng))才能實(shí)現(xiàn)核裂變能可持續(xù)發(fā)展。因此,我國核裂變能走壓水堆-快堆的發(fā)展戰(zhàn)略和選擇核燃料閉式循環(huán)的技術(shù)路線是完全正確的。

          快堆核燃料閉式循環(huán)(或核燃料循環(huán)后段)的起點(diǎn)是熱堆乏燃料后處理,分離出的钚制成快堆燃料(MOX燃料或金屬燃料),供快堆燃燒并增殖燃料,快堆乏燃料再進(jìn)行后處理/再循環(huán),如圖所示?!   ?/p>

         快堆核燃料閉式循環(huán)示意圖

          由此可見,“鈾資源使用3000年”是全世界核能界為之奮斗的長遠(yuǎn)目標(biāo),實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)可能需要多年的不懈努力。據(jù)初步計(jì)算,欲使鈾資源利用率提高60倍,快堆閉式循環(huán)(快堆燃料制造-快堆運(yùn)行-快堆乏燃料后處理)的次數(shù)為12—18次。但快堆燃料循環(huán)的前幾次效果更好,例如,經(jīng)過頭3—4次循環(huán),鈾資源利用率即可提高20倍。

          目前,快堆核燃料閉式循環(huán)在世界上尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,但各主要核能國家均宣布了快堆核能系統(tǒng)商用化的時(shí)間表,分別為:印度,2020年;俄羅斯,2020年—2025年;法國,2040年;日本,2050年。

          我國人口眾多,能源需求和消費(fèi)的快速增長對資源和環(huán)境形成了巨大的壓力。我國必須根據(jù)自己國情加快推進(jìn)我國快堆商用化步驟。根據(jù)中核集團(tuán)的研究,我國應(yīng)該在2030年前實(shí)現(xiàn)快堆商用化,以滿足我國核能可持續(xù)、大規(guī)模發(fā)展的需要。

          由此可以看出,核能是清潔能源,但要充分利用鈾資源、極大地減少廢物量、實(shí)現(xiàn)核能的可持續(xù)發(fā)展,必須建立核燃料循環(huán)體系,特別是快堆核燃料循環(huán)體系。  

          隨著人口的增長和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,能源愈來愈成為世界各國一個(gè)必須面對的重要問題。尋找清潔、安全、可持續(xù)的能源是全人類的共同心愿。在2010年哥本哈根會(huì)議上,溫家寶總理也代表中國政府鄭重承諾到2020年,單位GDP的二氧化碳排放量要減低40%—45%。核能由于其運(yùn)行過程中幾乎不排放二氧化碳,被賦予減排的厚望。世界各有核國家都制定了核能發(fā)展規(guī)劃。由于快堆能夠極大地提高鈾資源利用率,因此建設(shè)快堆核燃料循環(huán)體系對于確保核能可持續(xù)發(fā)展,從而保證能源安全意義重大。正因?yàn)槿绱?,國際上推薦的第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)中把快堆作為主力堆型來發(fā)展,美、俄、法、印、日等國均制定了明確的快堆核燃料循環(huán)系統(tǒng)發(fā)展計(jì)劃。

          因此我國必須有步驟、扎實(shí)推進(jìn)我國快堆核燃料循環(huán)體系的建設(shè)。

          目前國際上快堆燃料循環(huán)系統(tǒng)的研究開發(fā)雖未達(dá)到商用水平,但已積累了不少經(jīng)驗(yàn)。各主要核國家均掌握了熱堆乏燃料水法后處理技術(shù),法國等掌握了先進(jìn)的MOX燃料制造技術(shù),美國掌握了快堆金屬燃料制造技術(shù),美國和俄羅斯在快堆乏燃料干法后處理方面處于領(lǐng)先地位。值得注意的是,印度快堆核能系統(tǒng)領(lǐng)先于我:印度的實(shí)驗(yàn)快堆于1985年臨界,中國實(shí)驗(yàn)快堆于2010年臨界;印度于2004年開始建造的50萬千瓦電功率原型快堆將于2012年建成,我國擬自主設(shè)計(jì)的示范快堆項(xiàng)目尚未立項(xiàng);印度已擁有3座小型熱堆乏燃料后處理廠,我國的第一座大型熱堆乏燃料后處理廠尚在擬議之中;印度于2005年在世界上率先完成了快堆乏燃料的水法后處理熱實(shí)驗(yàn),我國快堆乏燃料后處理技術(shù)研究剛剛起步;印度具備了快堆MOX燃料制造能力,并可為即將建成的原型快堆提供燃料,我國尚未掌握快堆MOX燃料制造技術(shù);印度自主建成了3座高放廢液玻璃固化廠,我國尚不具備玻璃固化建廠能力,被迫從德國進(jìn)口。

          我國在核能領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)落后于世界先進(jìn)水平的嚴(yán)酷現(xiàn)實(shí)表明,要想使我國從“核能大國”轉(zhuǎn)變成“核能強(qiáng)國”,我們必須按照中央領(lǐng)導(dǎo)所作的一系列重要批示精神,急起直追往前趕,腳踏實(shí)地地攻克先進(jìn)核能系統(tǒng)中每個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)難關(guān)。

          我國在快堆核能系統(tǒng)的研究開發(fā)方面,首先應(yīng)制定快堆核能系統(tǒng)研究發(fā)展戰(zhàn)略,確定總體目標(biāo)和分階段實(shí)施目標(biāo)??於蜒h(huán)技術(shù)的研究開發(fā)是一項(xiàng)投資巨大、耗時(shí)較長的極為復(fù)雜的系統(tǒng)工程,我國的快堆核能系統(tǒng)技術(shù)不應(yīng)像以往那樣與核燃料循環(huán)脫鉤而孤立地發(fā)展,應(yīng)借鑒日、印等國的經(jīng)驗(yàn),做好快堆核能系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì),將快堆、乏燃料后處理、MOX燃料制備等技術(shù)進(jìn)行一體化系統(tǒng)策劃,在國家統(tǒng)一規(guī)劃、總體布局之下,使我國快堆核能系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)得以同步協(xié)調(diào)發(fā)展。爭取用最短的時(shí)間實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的商用化技術(shù)突破,逐步形成我國快堆核能產(chǎn)業(yè),從而解決我國核裂變能可持續(xù)發(fā)展的后顧之憂。

          今后5—10年內(nèi)我國核燃料循環(huán)后段工業(yè)體系的關(guān)鍵任務(wù),是以中國實(shí)驗(yàn)快堆、后處理中試廠和MOX燃料實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)線為實(shí)驗(yàn)平臺,盡快將后處理中試廠產(chǎn)出的钚制成MOX燃料,為實(shí)驗(yàn)快堆提供燃料,初步打通閉式燃料循環(huán)之路。與此同時(shí),應(yīng)抓緊商用示范快堆重大專項(xiàng)、后處理大廠、MOX燃料制造廠的立項(xiàng)與實(shí)施進(jìn)程,為我國快堆核能系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展邁出堅(jiān)實(shí)一步。(中國原子能科學(xué)研究院 顧忠茂)


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