詹文龍：安全高效是核能可持續發展保障

　　“核電的主要過程是核燃料循環的過程，包括核燃料來源及制備、核電機組和核乏料處理等。在整個過程中，核安全性是重中之重，也是核電可持續發展的關鍵。”中科院副院長、中科院院士詹文龍在日前舉行的中科院第十五次院士大會綜合報告中作上述表示。

　　核裂變能是一種成熟、清潔、安全和有經濟競爭力的能源，也是我國能源發展的重要組成部分，有助于應對氣候變化、減少溫室氣體排放和減少空氣污染。

　　目前，核裂變能主要用于發電，全球共有430多座核電機組在運行，總裝機超過370GWe（千兆瓦發電量），提供全球約16%的電力，有40多座發電反應堆正在建設。

　　“核安全是核電最重要的前提條件，也是核電投入高的最主要因素。”詹文龍再次強調了核安全的重要性。

　　在國際上，核輻射事件根據嚴重性分為不正常、事件、嚴重事件、局部事故、多重事故、嚴重事故和重大事故等7個等級。1986年，蘇聯發生的切爾諾貝利核泄漏事故就是重大事故；1979年，美國發生的三厘里島事故是反應堆發生嚴重堆芯熔化，屬多重事故。

　　據了解，大多數發達國家核電站總發電量的比例較高，法國有75%以上，美國約有20%。我國核電已建成發電用反應堆11座，總裝機9.1GWe；估計到2020年，運行70GWe，在建30GWe，是目前世界上核電在建規模最大的國家。

　　幾十年來，核電站中的核燃料使用基本是一次性通過循環。“雖然這在短期內降低了核乏料后處理的難度和成本，也減小了核擴散的可能性，但是，大量的核乏料壽命長達百萬年，使人們無法保證核乏料包裝材料長久的堅固性或因地質擴散等影響到的安全可靠性。”詹文龍說，美國尤卡山計劃就是一個典型的例子。

　　目前，國際上運行的核電主要核反應堆屬于二代堆型，在建的將是更安全可靠的三代堆型。第四代核反應堆代表核電發展的方向，即追求安全性、可持續性、經濟性并防止核擴散。

　　詹文龍介紹說，我國四代核反應堆的研究有國際上推薦的6種堆型之一的鈉冷快堆和介于三代、四代間的高溫氣冷堆，隨著進一步研究也將有鉛冷快堆、熔鹽堆等。

　　因此，國際原子能組織和大多數有核電國家認識到，必須采用核燃料的多次封閉循環使用。

　　詹文龍解釋說：“這不僅可對核乏料進行嬗變處理，也可提高核燃料的使用效率，如果采用硬中子譜的反應堆，特別是加速器驅動的次臨界堆系統（以下簡稱ADS）進行核廢料嬗變，可使核廢料放射性壽命由數百萬年降到約700年，使地質處理及其材料封裝成為可能，保證了核廢料處理的科學可行性，也使ADS系統產生的90%的電能供給電網使用。”

　　現在，有能力對核廢料進行處理的方法，有快中子反應堆和ADS系統（每個ADS系統可處理大于10臺等功率壓水堆的核廢料能力）。考慮到這兩種系統的特點和性價比，國際原子能組織認為ADS更適合于燃燒核乏料，中國科學院院士咨詢委員會也建議：快堆側重于核燃料的增值，ADS系統側重于處理核廢料。

　　此外，詹文龍指出，盡管國際原子能組織的資料顯示，現有鈾礦儲量可提供80年以上的需求，但由于我國鈾儲量偏少，再考慮2050年中國規劃的核電總量，就可能比現有全球核電總量還要大，因此，保證核燃料的長期穩定供給，也是我國核裂變能可持續發展的重要瓶頸之一。

　　詹文龍認為，目前除了進一步勘探和購進國外的核燃料等商業操作外，提高核裂變能燃料供應的主要途徑有以下幾種。

　　第一，由于鈾235在自然界的豐度只有0.72%（鈾238豐度高達99.27%）。采用快堆的高能譜中子使鈾238和快中子復合反應并衰變產生镎239，再經過衰變生成钚239，通過放射化學分離出钚形成完整的鈾钚循環，可使鈾钚循環的核燃料增值約60倍。

　　鈾钚循環技術所涉及的快中子反應堆和放射分離技術都比較成熟，快堆已經進入試驗運行階段，但這種使核燃料增值的途徑，一方面會提高生產成本，另一方面也沒有減少核擴散的可能性。

　　第二，作為核裂變能的另一循環是釷鈾循環，釷232在反應堆中與中子進行復合反應衰變后產生鏷233，再經過衰變生成鈾233，進而通過放射化學可分離出鈾233形成完整的釷鈾循環。由于自然界的釷是100%的同位素釷232，加上世界上釷礦藏約是鈾的3倍，且我國釷儲量較豐富，采用釷鈾循環可使核燃料增值上百倍。

　　至今，釷鈾循環的科研比較有限，釷鈾循環的乏料的處理較困難，估計在一定時間內釷燃料只能是一次通過，然而，這也使釷鈾循環的核燃料難以用于核武器制造，即避免了核擴散。

　　第三，由于溶在海水中的鈾酰離子含有約45億噸的鈾，比現已探明的約470萬噸鈾礦高出近千倍，但海水中的鈾含量極低（十億分之幾），使得長期以來這方面沒有得到重視。日本高崎研究所經過長期不懈的研究，從海水中富集得到了公斤級的鈾，成本約是現在鈾礦的3倍多，這種富集的方法使海水或鹽湖水提鈾成了提供鈾燃料的一種潛在途徑。另外，利用先進的方法濃縮鈾也可能增加數十個百分點的濃縮效率并降低成本。

　　“然而，在技術問題解決后，由于核燃料在核電成本中占大約3%，哪種途徑被采納將取決于進度與綜合的性能價格比。”詹文龍說。

　　反應堆中核燃料的高燃耗和先進核反應堆是核電追求的目標。詹文龍說，二代核反應堆的最初設計壽命為30年，現在運行到40年并追求60年的運行壽命，核燃料換料的周期也由原來的12個月增加到18個月，進而將增加到36個月。

　　“這不僅可提高核電的經濟性，也可減少核乏料的數量，其關鍵的問題是材料。”因此，詹文龍認為，抗輻照材料研究是研究先進核反應堆的核心科學問題。

　　抗輻照材料的主要研究目標是探索耐高輻照、高腐蝕、高溫度的材料。詹文龍認為，現代大科學裝置給抗輻照材料研究提供了前所未有的科學工具，如高通量反應堆、散裂中子源和重離子加速器，給輻照材料提供了難得的條件；先進的光源、中子源、強磁場、核磁共振、電子掃描譜儀等，提供了高分辨多功能的表征手段。

　　詹文龍認為，如果核擴散問題可以得到較好控制，核反應堆具有很多綜合應用的前景，如在供熱取暖、淡化海水等方面，都有其他途徑難以達到的經濟效益和環境友好性。

　　此外，小型核反應堆也有很多應用。例如，作為中子源可以用于科學研究，如輻照材料、材料表征、生物研究等；也可用于治療腫瘤，如利用硼與中子反應具有很大俘獲截面的特點，把硼作為引導藥注入腫瘤邊緣再進行中子輻照，這種手段對復雜腫瘤形狀如腦部線狀腫瘤，尤具獨到療效。

　　而且，核反應堆可以利用中子的俘獲和衰變反應來生產同位素，這些特殊的同位素可以用于航天或特殊電源的供應，也可廣泛用于伽馬射線醫療、消毒和食品保鮮等。