“核電的主要過程是核燃料循環(huán)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(xù)發(fā)展的關(guān)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(jīng)濟競爭力的能源，也是我國能源發(fā)展的重要組成部分，有助于應(yīng)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(fā)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(fā)電量），提供全球約16%的電力，有40多座發(fā)電反應(yīng)堆正在建設(shè)。

“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(diào)了核安全的重要性。

提高核燃料使用效率

在國際上，核輻射事件根據(jù)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(lián)發(fā)生的切爾諾貝利核泄漏事故就是重大事故；1979年，美國發(fā)生的三厘里島事故是反應(yīng)堆發(fā)生嚴重堆芯熔化，屬多重事故。

據(jù)了解，大多數(shù)發(fā)達國家核電站總發(fā)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(fā)電用反應(yīng)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(guī)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(huán)。“雖然這在短期內(nèi)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(zhì)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(yīng)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(yīng)堆代表核電發(fā)展的方向，即追求安全性、可持續(xù)性、經(jīng)濟性并防止核擴散。

詹文龍介紹說，我國四代核反應(yīng)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(shù)有核電國家認識到，必須采用核燃料的多次封閉循環(huán)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(yīng)堆，特別是加速器驅(qū)動的次臨界堆系統(tǒng)（以下簡稱ADS）進行核廢料嬗變，可使核廢料放射性壽命由數(shù)百萬年降到約700年，使地質(zhì)處理及其材料封裝成為可能，保證了核廢料處理的科學(xué)可行性，也使ADS系統(tǒng)產(chǎn)生的90%的電能供給電網(wǎng)使用。”

現(xiàn)在，有能力對核廢料進行處理的方法，有快中子反應(yīng)堆和ADS系統(tǒng)（每個ADS系統(tǒng)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(tǒng)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(xué)院院士咨詢委員會也建議：快堆側(cè)重于核燃料的增值，ADS系統(tǒng)側(cè)重于處理核廢料。

3種途徑豐富核燃料供應(yīng)

此外，詹文龍指出，盡管國際原子能組織的資料顯示，現(xiàn)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(guī)劃的核電總量，就可能比現(xiàn)有全球核電總量還要大，因此，保證核燃料的長期穩(wěn)定供給，也是我國核裂變能可持續(xù)發(fā)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(yè)操作外，提高核裂變能燃料供應(yīng)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(fù)合反應(yīng)并衰變產(chǎn)生镎239，再經(jīng)過衰變生成钚239，通過放射化學(xué)分離出钚形成完整的鈾钚循環(huán)，可使鈾钚循環(huán)的核燃料增值約60倍。

鈾钚循環(huán)技術(shù)所涉及的快中子反應(yīng)堆和放射分離技術(shù)都比較成熟，快堆已經(jīng)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(chǎn)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(huán)是釷鈾循環(huán)，釷232在反應(yīng)堆中與中子進行復(fù)合反應(yīng)衰變后產(chǎn)生鏷233，再經(jīng)過衰變生成鈾233，進而通過放射化學(xué)可分離出鈾233形成完整的釷鈾循環(huán)。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(huán)可使核燃料增值上百倍。

至今，釷鈾循環(huán)的科研比較有限，釷鈾循環(huán)的乏料的處理較困難，估計在一定時間內(nèi)釷燃料只能是一次通過，然而，這也使釷鈾循環(huán)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(xiàn)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(jīng)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(xiàn)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(shù)十個百分點的濃縮效率并降低成本。

“然而，在技術(shù)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(yīng)堆中核燃料的高燃耗和先進核反應(yīng)堆是核電追求的目標(biāo)。詹文龍說，二代核反應(yīng)堆的最初設(shè)計壽命為30年，現(xiàn)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(jīng)濟性，也可減少核乏料的數(shù)量，其關(guān)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(yīng)堆的核心科學(xué)問題。

抗輻照材料的主要研究目標(biāo)是探索耐高輻照、高腐蝕、高溫度的材料。詹文龍認為，現(xiàn)代大科學(xué)裝置給抗輻照材料研究提供了前所未有的科學(xué)工具，如高通量反應(yīng)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。

核能用途廣泛

先進的核裂變能除了在核電、國家安全方面的應(yīng)用外，核裂變能可以轉(zhuǎn)化成高效潔凈的二次動力能源和化工原材料，如高溫氣冷堆近千攝氏度的高溫，是高效生產(chǎn)氫的重要途徑，氫不但可作為新的動力能源在應(yīng)用中節(jié)能減排，也可作為化工的重要原材料被高效應(yīng)用。

詹文龍認為，如果核擴散問題可以得到較好控制，核反應(yīng)堆具有很多綜合應(yīng)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(jīng)濟效益和環(huán)境友好性。

此外，小型核反應(yīng)堆也有很多應(yīng)用。例如，作為中子源可以用于科學(xué)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(yīng)具有很大俘獲截面的特點，把硼作為引導(dǎo)藥注入腫瘤邊緣再進行中子輻照，這種手段對復(fù)雜腫瘤形狀如腦部線狀腫瘤，尤具獨到療效。

而且，核反應(yīng)堆可以利用中子的俘獲和衰變反應(yīng)來生產(chǎn)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(yīng)，也可廣泛用于伽馬射線醫(yī)療、消毒和食品保鮮等。

“如衰變壽命為87.7年的同位素钚238，就是深空航天最合適的能源；同位素鈷60既可用于最普遍的放射治療、食品保鮮，也可用于醫(yī)療器械消毒等。”詹文龍說。