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史永谦:太先进无法展示?核能新技术ADS靠谱吗

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swz 发表于 2017-3-6 00:45:45 | 显示全部楼层 |阅读模式

我平时很少上网,在同事的推荐下,在网上看到北大物理学院雷奕安副教授的一篇“太过先进,无法展示”?!核能新技术ADS真的靠谱吗”的评述性文章,前几句话是 “前不久,网络和朋友圈被一条消息刷屏,称中国在核能应用技术上取得重大突破,并且“太过先进,无法展示”。这项技术叫做加速器驱动次临界系统(ADS),我以前关注过,利弊略有了解,知道它还很不成熟,离实际应用很远。刚看到这条消息的第一反应是,又有人搞笑了吧?仔细看过消息和诸多评论之后,感觉非常不舒服,不吐不快”。为此我对雷奕安副教授的评论也有不吐不快的感觉,但没有不舒服。有许多同事劝我不要理会这篇文章的观点,因为有许多是似是而非的,只是有操作之嫌,但我想还是有必要就学术上的某些问题给予澄清,以正视听。(注:文中粗体字是雷奕安副教授的原文)

在不吐不快之前,首先声明一下,本人才疏学浅,虽然从上个世纪90年代ADS概念提出到目前为止,一直负责、参与我国的ADS次临界反应堆的物理研究,也参加过几次国际间的学术交流和IAEA总部召开的ADS发展现状研讨会,但自己还是深感学术上孤陋寡闻,特别是与反应堆物理以外的其它领域更是如此。比如“太过先进,无法展示”这句话我也无法理解,我问了一些人,他们认为可能是在网上无法显示的插图等问题时,往往会有此类语言出现,现在不对这个词句进行论述,只对有关ADS学术上的某些问题与雷奕安副教授进行探讨,虽然本人对国内外的ADS情况也有所了解,但也是挂一漏万,因为正像雷奕安副教授文章所述“公道地说,由于继承了过去的管理体制,原子能院国际交流很不方便,可以理解”。我是原子能研究院的,不对的地方谢谢雷奕安副教授是可以理解的,还请雷奕安副教授批评指正。

1 对雷奕安副教授的评述总的感觉

看完雷奕安副教授的评述文章后,使我印象深刻的是最后一句,即黑体字、又是全篇重点的结论即“核能在安全性、经济性等方面都存在巨大风险。这些风险大多已经被世界各国的研究和商业经历证明。国内片面的宣传和营销并不会降低这些风险。面对强大的公关与宣传,公众应当保持高度警惕”。我认为这就是雷奕安副教授写文章的目的,字面的意思就是核能是存在巨大风险的,ADS也同样如此,我雷奕安副教授真心提请大家注意所报道的ADS相关内容实际上是国内对核能的一种宣传和营销手段,提醒大家不要对国内片面的宣传和营销所欺骗,应当保持高度警惕。高度警惕之后下面的动作就是你们的事情了。至于作者写此文的其它目的我就不好妄加评论了。

2 对雷奕安副教授的评述文章学术观点的看法

雷文在“。。。感觉非常不舒服,不吐不快。”之后的一段是:

先简单介绍一些相关概念:

加速器驱动次临界系统(ADS)

目前说到核能一般是裂变核能。只要有中子,就能诱发裂变(自发裂变的可能性很低)。一般反应堆依靠自己裂变产生的中子临界运行,依靠控制裂变燃料的浓度,几何形状等,保证用掉一个中子正好产生出一个可以再次引起裂变的中子。如果不小心多了一点,中子就会越来越多,导致反应失控,这就是超临界。一般还利用温度高低、气泡多少、控制棒等控制链式反应。但一般临界到超临界的余量很小。次临界系统就是不到临界状态运行,一次裂变产生的有效下一代中子数少于1,能够保证反应堆不超临界。但这样,裂变反应无法自持,因此需要一个比较大的中子源提供第一代中子。加速器产生的高能质子打到重的原子核上,能把核内的很多中子打出来。这些中子能量高,诱发裂变能力强。这就是加速器驱动次临界系统的概念。

(1) 这里我也先介绍一下我所知道的裂变核能的相关概念:

正像雷奕安副教授所述的“目前说到核能一般是裂变核能” 。因为核能还应包括聚变核能。聚变核能国际上,包括我国还在投入大量人力、物力研究中,不是十年、八年能够应用的。而裂变能技术比较成熟,裂变能的装置为反应堆,在半个多世纪的发展中,提出、研究并建成了各种类型的反应堆。反应堆分类有很多种,按其功能可分为动力堆、生产堆、研究堆;按反应堆内的中子能量大小分为热中子反应堆、中能中子反应堆和快中子反应堆;按慢化剂分为轻水反应堆、重水反应堆、石墨反应堆等;按冷却剂不同分为水冷却反应堆、金属液体冷却反应堆、高温气体冷却反应堆等等。

反应堆工作靠中子来进行的,反应堆内的中子,一边产生,一边消失。消失的中子是通过跑出反应堆(反应堆称为泄漏中子)和被反应堆内的材料吸收。产生中子是由于当一个中子被反应堆堆内核燃料吸收后会裂变,裂变时除释放出核能量外,还会放出多于一个中子,如铀-235每次裂变可放出2个多中子,裂变中子放出的这些中子,除有一个要维持被核燃料吸收再裂变外,其它的中子就被泄漏和吸收而消失。当产生的中子数与消失的中子数相等时,即它们的比值k等于1(k称为中子有效倍增因子),称反应堆为临界状态即反应堆可以维持自持裂变反应(不需要外中子源),当产生的中子数小于消失的中子数时,它们的比值k小于1,称反应堆为次临界状态,当产生的中子数大于消失的中子数时,它们的比值k大于1,称反应堆为超临界状态。因此反应堆可以运行在次临界、临界和超临界三种状态。

第一种情况反应堆是次临界,反应堆要在次临界(k小于1)状态运行,必须靠外中子源来驱动,即靠外中子源放出的中子数来补偿消失的中子数。如果没有中子源来驱动,则一旦取出中子源或中子源不工作,则经过一定时间后,反应堆内就没有中子,反应堆内核材料就不能裂变,即反应堆停止运行;

第二种情况反应堆是临界,反应堆临界运行状态首先是从次临界状态过渡到临界状态的,在过渡时,是通过措施使产生更多的中子数(增加核燃料量)或减少消失的中子数(减少吸收中子的材料或增加反应堆体积等),这样反应堆内产生的中子数逐渐增加,而消失的中子数逐渐减少,最后使产生的中子数与消失的中子数相等时,达到中子平衡即它们的比值k=1,处于临界状态。但在反应堆从次临界到临界的过渡期间,反应堆次临界状态或次临界度是逐渐变化的,这时也必须靠外中子源以维持某个次临界状态(外中子源又称为点火中子源),否则中子数是不稳定的,会逐渐减少直到为零。其次是反应堆临界后(取出外中子源或外中子源的中子对反应堆内的总中子数的贡献可以忽略),要维持反应堆在临界状态运行,这时必须靠控制手段使中子数维持在一定的数量(中子数与反应堆的功率水平有关,中子数越多,反应堆的功率越高)。在临界状态运行时,如果由于某种原因(如核燃料的燃耗)反应堆内中子数比要求的中子数少了(k小于1,反应堆要过渡到次临界状态),就要采取措施,增加中子数不使反应堆进入到次临界状态;如果反应堆内中子数比要求的多了(k大于1,反应堆要过渡到超临界状态),就要采取措施,减少中子数不使反应堆进入到超临界状态。这就是说临界反应堆是可以控制的,即控制反应堆内中子数的多少并维持所要求的中子数水平(要求反应堆的功率);

第三种情况反应堆是超临界的。反应堆超临界又分为缓发超临界和瞬发超临界两种。

缓发超临界状态是可以控制的。在某个功率下临界状态运行的反应堆,如果要提高反应堆的功率,就是使临界运行反应堆内的中子数增加,这时就必须采取措施,使反应堆内产生的中子数大于消失的中子数(反应堆处于超临界)。当它们的k值大于1,而小于1+βeff时,这时反应堆的状态称为缓发超临界状态。βeff这个量称为缓发中子有效份额,这是由于裂变核在裂变时放出的中子有早放出的中子和晚放出的中子两种情况,早放出的中子(约在10-7秒内)称为瞬发中子,它们的能量较高约在MeV量级,它们的数量较大,裂变时约99%以上都是瞬发中子,而晚放出的中子(0.几秒到几百秒)称为缓发中子,它们的能量比瞬发中子能量低(约KeV量级),它们的数量小于1%,晚放出的中子这个数值定义为β,称为缓发中子份额。由于缓发中子与瞬发中子能量不同,所以它们对裂变的贡献不一样,就引入缓发中子有效份额βeff;对不同的裂变核有不同的β值。如铀-235裂变,瞬发中子有99.35%。而缓发中子即β值为0.65%,而钚-239裂变,瞬发中子有99.79%。而缓发中子即β值为0.21%。由于反应堆内具有瞬发中子和缓发中子,缓发中子出现的时间迟,使得反应堆内总的中子在反应堆内的寿命变长,得以反应堆内产生的中子数和消失的中子数可以控制。

瞬发超临界状态是不可以控制的,当产生的中子数大于消失的中子数即它们的比值k等于1+βeff时,即为瞬发超临界,因为k=1可以自持裂变链式反应,这时不需要缓发中子就可以k=1而能自持裂变反应,结果是中子的寿命非常短,加上βeff个中子,使中子数迅速增加,无法控制。核武器就是处于瞬发超临界,核武器就是在外中子源点火下,由于k的数值是大于1+βeff的,因此点火后其裂变是不可控制的。

从上面的讨论可知雷文中的“如果不小心多了一点,中子就会越来越多,导致反应失控,这就是超临界,。。。但一般临界到超临界的余量很小”,这句话是不对的,是似是而非的概念,好像超临界状态是可怕的,实际反应堆经常会处于超临界状态,即在功率由低功率向高功率过渡时,必须是超临界(缓发超临界)。雷文将瞬发超临界与缓发超临界混为一谈,统称为超临界。他的言外之意就是超临界太危险,如核武器一样耸人听闻。

(2)这里再介绍一下ADS的相关概念和背景

A.ADS的相关概念。ADS包括3个主要部件,加速器、次临界反应堆和加速器与次临界反应堆的耦合部件重金属靶。如(1)中所叙述,ADS中的反应堆是处于次临界状态,只有在外中子源驱动下,反应堆才能存在有裂变,才能放出中子和给出核能。这样ADS又与上面谈到的次临界反应堆有什么差别呢?它们的差别在于(1)中的次临界是是反应堆过渡到临界运行的必须经历的过程,另外反应堆不运行时就必须处于次临界状态,当然次临界反应堆在外中子源作用下可以对次临界反应堆的物理特性进行研究,但它是不能给出可利用的核能的,尽管它们也有裂变,释放出能量,但由于外中子源的强度较低(根据不同情况,外中子源强度一般在104-109/秒之间),裂变数少,所释放的能量太低,无法利用。而在ADS中,利用加速器加速高能带电粒子,使其轰击重金属靶核,它们之间发生散裂反应,根据不同的带电粒子的能量和靶核,在散裂反应时可以放出大大多于裂变产生的中子数(上面提出的易裂变核,一个核裂变时可放出小于3个中子)。如加速器加速质子,当加速的质子具有1GeV时,轰击金属铅靶时,一个质子与铅核发生散裂反应可产生30个左右的中子,那么1mA的质子束(等于6.24×1015个质子/秒)就可产生1.87×1017个中子/秒,用这些中子作为外中子源来驱动次临界反应堆,使次临界反应堆内的裂变中子数大大增加,从而可以利用它们的裂变能。ADS的核能除与外中子源的强度有关外,也与次临界反应堆的次临界度有关。如果次临界度选择合适,如雷文中的k=0.92~0.98之间,就可以将外源中子强度增加12.5-50倍。另外如果次临界反应堆采用快中子反应堆模式,一方面其中子能量较高也可以使可裂变材料铀-238裂变或变为易裂变核材料钚-239,从而有效的利用了核资源,另一方面核电站的核废物MA(Minor Actinides少锕核素)与高能中子发生裂变反应使其变成稳定核素或短寿命的核素,这就是ADS的嬗变技术,第三ADS反应堆是次临界运行模式,也从根本上杜绝了缓发超临界和瞬发超临界的可能性,保证了安全。

B.ADS及启明星实验平台的研究背景:上个世纪90年代初,诺贝尔奖获得者,意大利物理学家鲁比亚(C.Rubbia)提出了能量放大器概念,就是目前称之谓的加速器驱动的次临界系统-ADS。因为它可能在裂变核能发展中担当重要角色,如上所述,它可以产生核能、有效利用核资源和作为核电站乏燃料中的次錒系核素MA和长寿命裂变产物LFFP(Long Lived Fission Products)的焚烧炉引起国际核能界的极大兴趣,

1994年我国理论物理学家何祚庥院士看到相关报道,找到原子能院中子物理学家丁大钊院士和中科院高能物理研究所加速器科学家方守贤院士讨论,他们认为ADS是一个值得探讨的课题,因为ADS涉及核工业多方面的学科,所以建议由中国原子能科学研究院丁大钊院士牵头成立ADS概念研究组,1995年在中国核工业总公司科技局的支持下,开展以ADS系统物理可行性和次临界堆芯物理特性为重点的研究工作。随后逐渐向强流加速器和靶物理方面扩展。1997年7月2日至5日,国家科委组织召开了香山科学讨论会,中国原子能科学研究院介绍了ADS初步研究情况,科学界40多位院士、专家、学者参加,对ADS进行了3天半的深入讨论。最后,中国工程院副院长师昌绪做了总结,明确了ADS在原理上和工程上没有颠覆性的问题;该课题是重大基础研究项目,应列入国家重点基础研究(973)规划中,放在能源领域考虑;此外,明确这次会议不是项目立项,会后应通过有关规定进行申请。国家科委领导最后强调,ADS是一个重要研究课题;从科学前沿看问题,深度较深;现在还是基础阶段,同意放在总理批准的“973”规划中。

香山科学讨论会后不久,7月29日,中国科学院院长路甬祥召集有关专家谈到科学院构想时,在谈到ADS时,认为ADS既能产生核能又可处理核废物,该项目要与核工业公司合作,是否将原理验证装置和原型装置合为一步走,大家考虑。

之后经过近一年的研究、申请、答辩、层层筛选,1999年10月国家科技部批准了ADS列入“973”规划中,编号为TG1999022600,项目名称为《加速器驱动的洁净核能系统的物理及技术基础研究》。以丁大钊院士为首席科学家,赵志祥为首席科学家助理,原子能院组织了办公室,ADS下设6个课题组并发了规划任务书,6个课题组为:(1)ADS系统优化研究;(2)ADS系统的反应堆物理基础研究;(3)ADS核物理基础研究;(4)中能强流加速器及强流束在低能段加速结构中的输运研究;(5)强流离子束的产生及性能研究;(6)器-堆耦合部件的材料性质研究。参加单位有中国原子能科学研究院、中国科学院高能物理所、西南物理研究院、北京大学、清华大学、西安交通大学、南华大学等。

由于丁大钊院士去世,于2004年科技部任命赵志祥为首席科学家,在各课题共同努力下,2005年10月30日以优异成绩通过了“973”专家组的验收。专家组对ADS给予了极大关注,并建议除在国家其它领域对ADS支持外,下一个5年的“973”计划应继续给予支持。

2007年科技部继续支持ADS研究,设立“嬗变核废物的加速器驱动次临界系统关键技术研究”(项目编号:2007CB200900)项目。项目下设6个课题,包括加速器驱动次临界嬗变系统物理热工技术基础研究、次临界中子学研究、ADS专用数据库完善和检验、束流损失控制的关键技术研究、ADS器-堆耦合部件材料预研、干法后处理预研等。目前中国科学院又启动了“战略先导科技专项”,以中国科学院詹文龙院士为首席科学家的研究团队,已经开始实施工程设计和前期建设阶段,使中国的ADS研究再推向一个新台阶。

在1999年开始的第一期“ADS系统的反应堆物理基础研究”课题中,提出专门建设一个ADS系统的次临界反应堆物理基础研究装置,丁大钊院士与反应堆实验物理学家罗璋琳教授研究认为,根据反应堆物理研究室的惯例,每建成一种类型的反应堆实验平台,就要有一个名称,从1959年开始就有东风(DF)系列,先后有DF-1零功率反应堆,DF-2零功率反应堆,DF-3零功率反应堆,DF-4零功率反应堆等,而DF系列为临界系列,ADS反应堆是次临界,今后还要建设一系列ADS次临界反应堆实验平台,它又是一个新的核能概念,是将几十年核研究领域中的两大创举加速器和反应堆结合起来,是裂变核能的新亮点,所以就起名为Venus(启明星),后来IAEA将ADS推荐为第四代核电站的堆型之一。第一个ADS次临界实验平台就起名为Venus-1#(启明星-1#),启明星-1#次临界反应堆是一个快-热耦合的反应堆堆芯结构,其初衷是在快中子能谱区来进行MA的嬗变研究,在热区进行LLFP的嬗变研究。

启明星-1#次临界反应堆建成后,对外源驱动的次临界反应堆特性进行了系统研究,在国内外的科学杂志上发表多篇论文,接待了不少国内外专家学者,IAEA推荐将启明星-1#次临界反应堆作为国际的基准装置供大家研究。我国的清华大学、上海交大、西安交大、南华大学等都进行了相关研究。在研究中,发现理论计算的中子有效倍增因子k数值与实验测量的数值有所差别,这种差别无法用计算偏差来解释,也无法用测量的误差来解释。这就是为什么在中科院的ADS研究中要建立一个标准,即能够达到临界状态的次临界实验装置平台。根据中科院的核能先导项目要求,次临界反应堆是一个铅金属冷却的,反应堆堆芯还沿用启明星1#的思想,是一个快-热耦合的堆芯。由于这个实验平台与启明星-1#一样是在原子能研究院的反应堆物理研究室建设,根据反应堆物理研究室惯例,并都是为研究ADS所用,故取名为启明星-2#(Venus-2#).

(3)雷文在给出ADS概念后,开始评述ADS的优缺点,有:ADS的优点是第一是次临界,第二是中子能量高,比快堆里的中子还快。快堆能做的事情它都能做,而且做得更好,比如燃烧超铀元素(核废料中最讨厌的那部分),增殖(生产更多核燃料)等。缺点是技术复杂,发电需要的加速器还做不出来,还有一些技术也不知道能不能实现。里面的反应过程远比普通的水堆快堆复杂,基本的理论和实验都还有很多欠缺。

在他的这段评述中,有似是而非的概念,如 “燃烧超铀元素(核废料中最讨厌的那部分)”这个概念就似是而非。超铀元素并不都是讨厌的,超铀元素包括钚、镎、镅和锔等元素。首先钚就是一种很好的核燃料,其它核素还可以用某些核素辐射β电子特性做为核电池,在航空航天事业中大有作为。在ADS中,实际上嬗变的是无应用价值且半衰期极长的某些少锕核素MA(不包括钚)。

雷文在这段还认为ADS技术复杂、还有一些技术也不知道能不能实现,和基本的理论和实验都还有很多欠缺。该观点就不是科学工作者进行科学研究的态度。因为复杂就打退堂鼓,就不该投入人力和物力,但正因为复杂才要进行研究,任何一种有前途的技术不能因为技术复杂就放弃研究。我不了解雷教授在北京大学教授的是什么物理,也不知道指导的研究生研究的课题什么内容,但我敢肯定教授的和研究的都包括有不成熟的、复杂的待研究的内容。世界上聚变反应的应用其难度之大不能不说是前所未有的,难道就不建设相应的装置了吗?

(4)雷文在评述ADS的优缺点后,紧接着就评述启明星1号、2号的有关问题即

“启明星1号是原子能院研制的,在次临界条件下,一个测不同核燃料构形下中子倍增率的一个装置,2005年建成。同类装置国际上是上世纪四五十年代的重要研究内容,是中子学研究的基础实验装置。

启明星2号没有公开技术信息。我推测是像法国/比利时2009年做的那样,实现了高通量聚变中子源与次临界堆芯的耦合,但从报道上看不出来。推测的理由是,该装置是原子能院和近代物理所联合研制的,原子能院会做堆芯,近代物理所会做加速器。”

按照雷教授的观点12月23号只是一个建成的ADS启明星2号得到临界阶段性的新闻报道,并没有涉及太多的相关内容,是不值得报道的。

按照雷教授的观点,好像2005年建成的启明星1号是国际上四五十年代所建的同类实验装置,落后人家几十年。我在前面的ADS及启明星实验平台的研究背景中已有讨论,我们的东风系列中的DF-1实验装置就是四五十年代建成的反应堆中子学实验装置,不比别人晚,紧接着还陆续为不同目的建成了DF系列装置。启明星1号是专门研究ADS次临界反应堆物理学的装置,它与其它装置不同之处在于堆芯中心加入了较大的靶区,即散裂中子源区。中子源区的大小,中子能量的不同,靶材料的不同等都对反应堆的物理特性有影响,这些情况在反应堆物理研究中是没有碰到过的。再一个特点是快热耦合的堆芯,这也是过去没有碰到必须研究的。

建造启明星2号的目的与启明星1号不同之处也已在前面讨论过,至于聚变中子源与次临界堆芯耦合在启明星1号的研究中已经进行过,不要再推测了。原子能研究院与近代物理所联合研制的启明星2号也不是雷教授推测的分工。联合研制的启明星2号实验平台的功能主要有三个,一是建立一个临界标准,检验不同数据库和计算方法与实验结果之间的比对,避免启明星1号上理论和实验结果不一样的争论,特别要验证ADS的工程验证装置中实际所用到的金属铅的核数据;其二是验证ADS的工程验证装置中所使用的钨球流动靶特性及其它需要验证的内容,包括开发一些新的检测方法和技术;其三是培养ADS实验人员和运行人员。

(5)雷文在评述启明星1号、2号后,接着对嬗变进行评述即:

“嬗变

嬗变是导致原子核种类发生变化的核反应。

核能应用中,特指将长寿命高放射性核废料(超铀元素)裂变掉,变成短寿命放射性元素的反应。

ADS中的高能中子能够使超铀元素裂变。因此,嬗变超铀元素是ADS的主要应用领域之一。

但是实际应用起来并没有想象的那么好。一是这种燃烧并不干净,只能减少并不能消灭超铀元素。如果直接在乏燃料中使用的话,甚至不能减少,因为还会同时生成超铀元素。如果将乏燃料中的超铀元素提取出来,那么需要极其昂贵和风险巨大的后处理,还不能完全分离。”

按照雷教授的观点,ADS实际是不能嬗变长寿命高放射性核废料的,即使进行后处理也需要付出极其昂贵和巨大风险的。

这里又必要对核燃料循环做一简单介绍,因为嬗变与分离分不开的。而分离是核燃料循环中的一环。裂变核能的利用是一个很长的各技术环节集成的工业体系,从铀矿勘探、开矿冶炼、天然铀的转化、富集、再转化、燃料元件的制造,核反应堆的设计建造、乏燃料的处理,放射性废物的处理和处置等一系列的环节。一般将核电站反应堆之前的各技术环节称为核燃料循环的前端,之后的各技术环节称为核燃料循环的后端。对于核燃料循环的后端,目前国际上处置放射性废物存在两种路线,一是“一次通过”循环路线(Once-Through Cycle),二是“后处理燃料循环”路线 (Reprocessing Fuel Cycle)。所谓一次通过就是将从反应堆卸出的乏燃料经过存放在乏燃料储存池内一段时间后,不进行处理直接送往处置库进行地质处置。后处理燃料循环又分为有限闭式循环和完全闭式循环(又称为先进闭式燃料循环)。一次通过循环路线简单,但浪费了大量有用的核资源,如乏燃料内的U和Pu等资源,且乏燃料内还含有半衰期长达几万年到几百万年的放射性元素MA和LLFP。从长期地质观点看,其具有对环境影响的风险。而闭式循环各技术环节复杂,不管是有限闭式循环和完全闭式循环都必须对乏燃料进行元素分离(Partitioning),分离回收的U和Pu,再制成MOX燃料元件返回到反应堆内利用,在有限闭式循环中,将余下的废料再进行地质处置。而完全闭式循环中,除分离回收的U和Pu外,还将MA和LLFP也进行分离,分离出来的MA和LLFP可以放在专门的装置中进行焚烧即嬗变(Transmutation)。

从上面可以看出分离是嬗变的基础,人们提到嬗变必然要提到分离,所以通称为分离-嬗变(P-T)技术。衡量分离-嬗变效果的指标是核能系统中产生的高放废物量及其放射性毒性下降到天然铀当量水平的时间。

P-T技术不是一个新概念,早在20世纪60年代中期美国的M.Steinberg就提出了,只是美国的A G.Croff等人在70年代末研究表明,认为P-T的费用和短期风险的增加,超过因P-T得到的长期风险降低的效益. 80年代初,IAEA对P-T处置核废物也有类似的结论。80年代中期以后,随着金属快堆技术开发的成功和加速器技术的进展,以及后处理与分离工艺的改进,为通过P-T处置长寿命核废物创造了新的条件。另一方面,三里岛和切尔诺贝里事件之后,公众对核安全广泛关注。美国深入研究开发深地层埋藏库之后,也暴露出问题的复杂性和长期风险的不确定性等根本困难。这样通过P-T彻底消除长寿命放射性、降低和消除远期风险的方法重新受到重视。与之同时,根据新的形势,国际放射防护委员会(ICRP)新颁布的数据和规定,美国环保局(EPA)和核管会(NRC)先后也颁布了高放废物和低放废物埋藏及释放处置的新规定,从而使锕系核素嬗变更有吸引力。为通P-T降低核废物放射性水平的要求,提供了明确的标准。

为此在九十年代初,曾对P-T方法处置核废物作出过否定结论的以A.G.Croff 为首的同一组人对P-T方法处置核废物作了重新评价,得出一些新的结论:乏燃料元件中的锕系核素通过分离回收,只要分离后的α放射性丢失在废液中的量达到EPA规定中C类废物的释放标准,则残留放射性废物再衰变1000年就可以达到EPA 规定的高放废物埋藏和低放废物处置标准。因而有可能解决长寿命核废物的远期风险问题。1992年美国 M.E.Kastenberg等研究了长期风险的费用/风险分析方法。初步分析比较了乏燃料直接埋藏与通过P-T处置锕系核素的两种方案,也指出P-T方法具有降低处置库的长期风险,并能减小整个燃料循环短期风险的巨大潜在利益。P-T方法对分离回收有要求,如果按法规规定的高放废物在埋藏期间的放射性泄漏值作为最高的要求的分离回收率,则目前工业规模的后处理流程可以达到铀和钚回收率的要求,实验室规模流程可以达到镎、镅和锔的回收率的要求,目前正在实施向工业规模进展。

前面已经讨论过嬗变就是通过核反应将一种核变为另一种核,由于中子是最容易与核发生核反应的,所以一般都是用中子作炮弹来轰击要嬗变的靶核。不同能量的中子都可进行核反应,但对于不同的靶核与不同能量中子的核反应截面(概率)差别很大,故根据不同的嬗变核可以选择不同能量的中子。

由上面的介绍可知,乏燃料是可以通过分离技术是将要嬗变的核素分离出来的。至于“需要极其昂贵和风险巨大的后处理”这方面已经进行了费用/风险分析,如果雷教授认为他们分析的不对,可以拿出自己的数据进行批拔。

雷文中提到的“ADS中的高能中子能够使超铀元素裂变。因此,嬗变超铀元素是ADS的主要应用领域之一。”这句话又是似是而非的,超铀元素中的钚是不需要高能中子的,正像我的第三部分叙述的,只有MA才需要ADS的高能中子来嬗变。

雷文又提到“一是这种燃烧并不干净,只能减少并不能消灭超铀元素。如果直接在乏燃料中使用的话,甚至不能减少,因为还会同时生成超铀元素。如果将乏燃料中的超铀元素提取出来,那么需要极其昂贵和风险巨大的后处理,还不能完全分离。”

需要指出的是燃料烧干净或烧不干净是一个相对概念,只要达到要求就认为烧干净了。快中子反应堆的乏燃料中超铀元素较少,需要分离-嬗变的主要指目前的热中子核电站卸出的乏燃料,因为热中子核电站的核燃料有95%以上都是铀-238,在热中子反应堆内它不仅不能裂变,它吸收中子后还会变成超铀元素。要嬗变的是超铀元素中的MA,必须用快中子。快中子反应堆是可以嬗变MA的,但一般快中子反应堆除进行发电外,主要任务是进行核燃料的增殖,可以进行少量的MA嬗变,因为在快中子反应堆内放入过多的MA,则该反应堆就会出现控制问题,因为MA裂变时的缓发中子有效份额βeff值太小,使得反应堆内的平均中子寿命变短,影响反应堆的安全运行,这在前面已讨论过。各种核反应堆都各有其主要用途,鱼和熊掌不能兼得,所以ADS主要用来嬗变MA ,尽管它可以发电,充分利用核资源等用途,可以认为ADS就是专门焚烧MA的装置。。

在整个核燃料循环中,目前核能届一些学者提出“核公园(Nuclear Park)”构想,即在这个核工业园区,由各种类型的反应堆扮演着不同角色,热中子反应堆主要用来发电,快中子反应堆主要用来增殖核燃料,充分利用核资源,ADS用来嬗变热中子反应堆卸出的核废料,再结合乏燃料的分离技术,进到园区的是一般核燃料,出去的是人类生存需要的电力和少量的、达到地质处置要求的核废料。

由上看出,没有雷文提到的出烧不干净的问题,由费用/风险分析的结论T-P技术是可行的,不同的反应堆有不同的用途,ADS则是专门焚烧MA的装置。

(6)雷文对嬗变进行评述后,又对ADS的前途进行评述,给出了美国对ADS评估报告“白皮书”,各国的ADS发展情况,重点在批评我国不应有专门的ADS研究项目,并预期我国的ADS项目会失败的,雷的这部分结论是“风险最后都是国家承担。对于提倡的专家们,只有好处没有坏处,最多一句科学允许失败。可是国家经不起太多的投资失败。”

首先雷文还是承认了“白皮书措辞和结论都偏向于推进ADS的研究”这个结论, ADS还是靠谱的,而不是雷教授耸人听闻的题目核能新技术ADS真的靠谱的疑问!以及对于提倡ADS研究的专家们,只有好处没有坏处的指责!也承认各国都还在进行ADS研究。我国的ADS发展路线图与美国白皮书中是相符的,目前正处于前期阶段并逐渐走向示范阶段,至于雷教授评述“作为一个基础中子学研究装置,启明星2涉及的技术没有出现在ADS关键技术就绪程度评估表中。”我在前面谈到为什么要建启明星2号及其作用,应该回答了是否在评估表中,这里就不多费笔墨了。

(7)雷文对ADS的前途进行评述后 ,后面又一次对ADS进行责难:即“其实,即使ADS项目能够克服众多的技术障碍,如期建成,方案本身仍有大量问题很难解决,或者不能接受”

雷教授认为即使ADS建成,又分别提出9个问题很难解决,或者不能接受,即ADS的燃耗问题、一回路放射性问题、更复杂的核反应问题、功率密度问题问题、衰变余热问题、基础研究缺乏问题、经济性问题、烧不干净问题、靶的问题等进行了评述。下面对雷的问题进行一些讨论,在前面我已经声明过,自己本人才疏学浅,不能对雷教授的问题一一细说,有些也是一知半解,好在雷教授对原子能研究院有由于继承了过去的管理体制,原子能院国际交流很不方便,可以理解这样的话,我也就敢谈一点自己的看法。

关于燃耗问题,燃耗深与浅基本与反应堆的堆型无关,影响燃耗的主要原因是燃料包壳的腐蚀问题,与k无关,也不是雷教授看似很专业的解释,所以关于ADS燃耗很低不容易提高这个概念是错误的。至于雷教授提出的“ADS k从0.98降到0.95,反应堆的功率将降低到原来的40%。这时候燃料的燃耗只有约3%,”这个观点从数字计算没有错,但ADS并不是这样运行的,至于采取什么措施在k降低时怎样保存功率不变,也不是雷教授所想象的非得用离子束流来补偿由于k的降低维持功率不变的技术。

关于一回路放射性问题。雷教授提出的这个问题也是错误的。请雷教授注意,您的想象很有道理,但您提出的ADS次临界反应堆的一回路是与能量高达GeV的质子是无关的,质子只与靶作用,靶系统专门有一个回路,靶周围还有一部分缓冲区,缓冲区的作用一是降低来自靶散裂中子的能量以与反应堆耦合,二是解决靶的冷却问题。

关于更复杂的核反应问题,雷教授的观点也是杞人忧天,“涉及的元素数目巨大。一般核反应堆需要考虑的元素数目大约是百的量级,而ADS中是千的量级。”简直是耸人听闻。这个问题在一回路放射性问题已部分回答了,质子只与靶作用。复杂的核反应只是与靶材料有关,这方面俄罗斯在杜布纳联合研究所进行的ADS研究计划中已进行了测量研究,并发展高能质子束轰击散裂靶特性的计算工具。

关于功率密度问题。快堆的热量快速带走现在已不是一个问题,请雷教授注意,俄罗斯、法国、日本都有快堆核电站,尽管有些快堆在检修、总结。我国的实验快堆也正常运行,不要充耳不闻,ADS的热量同样靠热容大的金属铅来带走热量的(我国的ADS拟用铅冷却)。

关于衰变余热问题。雷教授说“困扰普通反应堆的衰变余热问题在ADS中一样存在,并且更糟。”请雷教授注意,困扰普通反应堆的衰变余热问题目前的AP-1000和中国的华龙1号已经解决,它们采取的技术是得到IAEA肯定的。所以ADS的余热问题雷教授大可不必担心。

关于基础研究缺乏问题。如核数据问题,我猜应该真正是雷教授的本行了。确实有许多核数据评价还不完全或缺少,所以才要进行研究。但请雷教授注意,并没有雷教授所评价的ADS触发核反应堆的中子能量的核反应道,各种反应截面曲线都画不出来的问题。来自散裂的部分中子确实能量很高,我在前面已经给出了,散裂中子是要经过靶区的缓冲,使其能量降低以与反应堆耦合,所以不存在雷教授提出的在核反应堆内核反应道问题。需要研究的是缺少有关靶的核数据以及铅的数据,这也是为什么要建一个启明星2号,用铅做冷却剂来宏观检验铅及其它所需要的核数据。

关于经济性问题和烧不干净问题,已在本文的第(5)部分给出,就不再重复。

关于靶的沉积热的带出上面也已给出,就不再重复。雷教授提出的“国内提出来的固体流动靶,只要控制流动的机构出了一点问题,靶或者靶部件将被质子束融化甚至热爆,从而不可收拾”,这个问题太有点耸人听闻了,这把ADS控制设计者认为都是草包了,控制流动的机构出了问题,质子束还要继续出质子吗?

(8)雷教授提出的问题之后,又对“启明星1号”“启明星2号”项目还有一点非常令人费解:

即对于这个名称费解。我在本文的第(4)部分已经部分回答了雷教授的费解。另外雷教授还提出“全世界可以说只有另外一个,就是法国的零功率装置VENUS”,也可能我孤陋寡闻,法国的零功率装置称为MASURCA(CEA Cadarache)。从1995年开始在其上面进行了ADS研究的MUSE计划。

我们在国际ADS研究交流会或国内外的科学杂志中发表的论文从来没有遇到雷教授所说的什么麻烦与混乱,IAEA还建议我们的启明星1号作为国际的基准,以供国际研究。

(9)关于雷教授的“启明星2号”的报道不能算是一次科学报道。”我不是记者,不懂什么是科学报道。但报道启明星2号实现了临界不知算不算研究进展,算不算科学报道。其次雷教授认为作为“以亚临界为工作目标的项目,实现临界的成就本身也有些令人费解。” 国际上研究ADS都是在临界反应堆上按照研究目标改造后先进行临界实验再进行次临界物理研究,包括法国的MUSE计划,作为我国ADS次临界铅冷却的反应堆,有许多未知知识,也必须先临界,有了基准,才好进一步对次临界特性研究,包括雷教授所关心的基础研究缺乏的核数据宏观检验问题,这是研究反应堆物理和宏观检验的基本知识,如果这一点还费解,那就是门外汉了。

(10)关于雷教授提出的“考虑到核工业长期地、系统地将片面的“科普”信息传播给大众,这一报道尤其不妥,令人不适。”这句话道是说到点子上了,长期来核工业确实没有进行长期地、系统地全面科普核能知识,因此就给那些诋毁核能的人士有了可乘之机,以似是而非的概念来蛊惑人。痛心呀,痛心。核能科普确实是需要重视的,我在各地讲学时经常举汽车的例子,反应堆在发展的几十年内出现问题死忘人数在两位数字,而全世界每年因车祸死亡人数是4-5位数字,造成多少个家庭不幸,有些一个家庭从而消亡,不但社会没有空车症,在北京还要限制买车的数量,这是多么奇怪的现象。所以雷教授提出令人不适的应该是核工业者,你们的科普不是多了而是少了,应该全面的科普。

以上第一部分是对雷教授文章的目的看法,第二部分10点就是我对雷教授文章有关科学观点的看法。

(作者史永谦 中国核工业研究生部教授,中国原子能科学研究院研究员)


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