这一新闻在国内外引起了强烈反响,海内外出现了各种评论。
为此,我们认为有必要就后处理、快堆及整个核燃料循环情况给大家作一次梳理。
后处理和快堆技术取得重大突破
经过20多年的不懈努力,我国自主设计和建设的动力堆乏燃料后处理中试厂经历了诸多曲折与磨难,终于取得了热调试的成功,标志着我国已初步掌握了动力堆(热堆)乏燃料后处理技术。这极大地鼓舞了国内后处理技术研发队伍的士气,而参与中试工程的几个单位的全体同志所取得的这一重要技术进步也值得庆贺,他们奋发图强、艰苦创业的精神更值得弘扬。
但是,在充分肯定成绩的同时,必须清醒地认识到,热试成功之后,我国在后处理方面依旧面临着一系列艰巨的任务:一是中试厂要运行并要取得经验数据;二是要设计、建造热堆乏燃料商用后处理厂;三是要研发设计并建造快堆乏燃料后处理厂等。此外,后处理仅是核燃料闭式循环工业体系的一个环节,后续任务还很重。
中国实验快堆是国家“863”计划重大项目,并于2006年列入了国家中长期发展规划。2010年7月,中国实验快堆实现首次临界,成为继美、俄、法、英、日、印、德等7个国家后建成的第8个快堆。这是我国核科技工作者经过20多年的努力取得的又一个重大技术突破,是我国快堆技术发展进程中的一个重大进展。在国内外引起重大反响,入选由557名院士评选的2010年十大科技新闻,并入选2010年度国防科技工业十大新闻。
中国实验快堆建成临界,实现了当初设定的“建立装置、掌握技术、培养人才、开展实验”的目标,为下一步快堆技术开发、快堆实用化推广以及建设闭式燃料循环体系建立奠定了坚实基础,目前中国原子能科学研究院正在进一步开展研发工作。
但是,这仅仅只是我国快堆发展迈出的第一步。从技术研发来讲,快堆技术的发展需要经历基础研究、实验堆、原型堆、示范堆、商用堆几个发展阶段。从世界范围来看,现有技术已走到示范堆阶段。对于后发国家来说,可以在自身积累和借鉴国际经验的基础上,实现跨越式发展。
对于各种不同的声音,我们要保持清醒与理智:需要肯定的是后处理和快堆技术取得的重大进展及广大科技人员无私奉献的精神,需要反省的是在相关宣传细节上处理欠妥以致理解偏差的问题,需要坚持的是我国经过多年科学论证确定的国家核能发展战略。
建立快堆核燃料循环体系是必走之路
实现核裂变能可持续发展的两大先决条件是铀资源的充分利用和核废物的最少化。地球上已探明的常规铀资源储量不到500万吨。按全世界正在运行的430余座核电站目前的燃料使用水平,如果采用核燃料一次通过的循环方式,地球上的铀储量仅可供使用70年左右,其铀资源的利用率不到1%。核燃料一次通过循环方式的另一个问题是,将约占4%的乏燃料中的废物与占96%的有用资源(铀、钚等)一起进行地质处置,除了浪费资源,还将大大增加需要地质处置的废物体积。即使按照全世界目前的核电站乏燃料卸出量估算,“一次通过”循环方式需要全世界每6~7年就建造一座规模相当于美国尤卡山库(设计库容7万吨)的地质处置库。只要全世界核电装机容量增加1倍,每3∼4年左右就要建设一座地质处置库,这显然是全球都难以承受的。此外,由于乏燃料中包含了所有的放射性核素,其长期放射性毒性很高,要在处置过程中衰变到天然铀矿的放射性水平,将需要10万年以上,必将带来诸多不可预见的不确定因素。因此,从长远看,“一次通过”方式对环境安全存在极大威胁。
然而,通过核燃料的闭式循环,却能提高铀资源的利用率并减少高放废物体积。快堆和后处理是该循环中的关键环节。快堆可利用其中子能谱比较硬的特点,将铀238转换成钚239,同时将长寿命次量锕系元素进行嬗变。后处理则可将乏燃料中的铀、钚、次量锕系元素和裂变产物分开,从而加以区别利用和处置。目前,国际上主要核能大国均选择核燃料闭式循环的技术路线。热堆核电站乏燃料经后处理提取的铀和钚,如果返回热堆中循环使用,则铀资源的利用率仅能比原有利用率稍稍提高,核废物的体积和毒性分别降至“一次通过”的1/4;但如果在快堆中多次循环使用,铀资源利用率总体可提高至60%,核废物的体积和毒性可降低1~2个数量级。这意味着,采用快堆技术及其相应的先进核燃料闭式循环,可以使地球上低开采成本的铀资源利用时间延长至几千年,并有利于实现废物最少化和减少废物的安全地质处置量。由此可见,要想实现核裂变能可持续发展,建立快堆及其燃料闭式循环是必走之路。因此,我国核裂变能走压水堆—快堆的发展战略和选择核燃料闭式循环的技术路线是完全正确的。
“铀资源使用3000年”是全世界核能界为之奋斗的长远目标,实现这一目标可能需要多年的不懈努力。据初步计算,欲使铀资源利用率提高60倍,快堆闭式循环的次数为12∼18次。
目前,快堆核燃料闭式循环在世界上尚未实现商业化,但各主要核能国家均宣布了快堆核能系统商用化的时间表,分别为:印度,2020年;俄罗斯,2020~2025年;法国,2040年;日本,2050年。
我国人口众多,能源需求和消耗的快速增长对资源和环境形成了巨大压力。因此,根据国情加快推进我国快堆商用化步骤被提上重要日程。根据中核集团的研究,我国将在2030年前实现快堆商用化,以满足我国核能可持续、大规模发展需要。
一言以蔽之,核能是清洁能源,但要充分利用铀资源、极大地减少废物量、实现核能的可持续发展,必须建立核燃料闭式循环体系,特别是快堆核燃料循环体系。
加大快堆及核燃料闭式循环研发力度
随着国民经济的发展,能源愈来愈成为国际社会共同关注和应对的命题。寻找清洁、安全、可持续的能源成为人类的共同追求。核能由于在使用过程中几乎不排放二氧化碳,被赋予厚望。世界各个有核国家都制定了核能发展规划。由于快堆能够极大地提高铀资源利用率,因此建设快堆核燃料循环体系对于确保核能可持续发展,从而保证能源安全,意义重大。国际上推荐的第四代先进核能系统中基本都把快堆作为主力堆型来发展,美、俄、法、印、日等国均制定了明确的快堆核燃料循环体系发展计划。因此,推进我国快堆核燃料循环体系的建设已刻不容缓。
目前国际上快堆燃料循环系统的研究开发虽未达到商用水平,但很多国家的研发水平均已超过我国。各主要有核国家均掌握了热堆乏燃料水法后处理技术,法国等国还掌握了先进的MOX燃料制造技术,美国掌握了快堆金属燃料制造技术,美国和俄罗斯在快堆乏燃料干法后处理方面处于领先地位。尤其值得一提的是,印度快堆核能系统领先于我国:印度的实验快堆1985年实现临界,中国实验快堆2010年才实现临界;印度于2004年开始建造的50万千瓦电功率原型快堆将于2012年建成,我国拟自主设计的示范快堆项目尚未立项;印度已拥有3座小型热堆乏燃料后处理厂,我国的第一座大型热堆乏燃料后处理厂尚在拟议之中;印度于2005年在世界上率先完成了快堆乏燃料的水法后处理热实验,我国快堆乏燃料后处理技术研究刚刚起步;印度具备了快堆MOX燃料制造能力,并可为即将建成的原型快堆提供燃料,我国尚未掌握快堆MOX燃料制造技术;印度自主建成了3座高放废液玻璃固化厂,我国尚不具备玻璃固化厂的建设能力,只能依赖进口。
这一现实表明:我国在核能领域的关键技术仍落后于世界先进水平。要想使我国从“核能大国”转变成“核能强国”,脚踏实地、奋起直追是唯一的选择。
在快堆核能系统的研究开发方面,我国应首先制定快堆核能系统研究发展战略,确定总体目标和分阶段实施目标。快堆循环技术的研究开发是一项投资巨大、耗时较长的复杂系统工程,应摆脱过去与核燃料循环脱钩孤立发展的模式,应借鉴他国经验,做好快堆核能系统的顶层设计,将快堆、乏燃料后处理、MOX燃料制备等技术进行一体化、系统策划,在国家统一规划、总体布局之下,使我国快堆核能系统的各个环节得以同步协调发展。争取用最短的时间实现各个环节的商用化技术突破,逐步形成我国快堆核能产业,从而解决我国核裂变能可持续发展的后顾之忧。
未来5∼10年,我国核燃料循环后段工业体系的关键任务是:以中国实验快堆、后处理中试厂和MOX燃料实验生产线为实验平台,尽快将后处理中试厂产出的钚制成MOX燃料,为实验快堆提供燃料,初步打通闭式燃料循环之路。与此同时,要抓紧商用示范快堆重大专项、后处理大厂、MOX燃料制造厂的立项与实施进程,迈出我国快堆核能系统产业发展的坚实一步。(作者为中国原子能科学研究院原科技委副主任,中国核学会顾问,主要从事核燃料循环和分离工程研究)