核能具有綠色、高效、低碳排放和可規(guī)模生產(chǎn)的突出優(yōu)勢已被世人公認(rèn)，從20世紀(jì)90年代開始，全球核能迎來發(fā)展的春天，而近年來我國更是將“積極發(fā)展”核能列入了中長期發(fā)展規(guī)劃的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一。

據(jù)國家發(fā)展和改革委員會2007年10月通過的《核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2005-2020年）》，到2020年，我國核電運(yùn)行裝機(jī)容量爭取達(dá)到4000萬千瓦；僅僅3年之后的今天，這一目標(biāo)已經(jīng)不能滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，據(jù)有關(guān)專家透露，到2020年，中國核電裝機(jī)容量將達(dá)7000萬～8000萬千瓦，到2030年，核電裝機(jī)將提高到2億千瓦，2050年則將提高到4億千瓦。

可以預(yù)見，我國核能長期持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸是“核廢料處理”、“核燃料穩(wěn)定供給”和“核科學(xué)工程人才”。近來，中國科學(xué)院針對這些核心問題，提出了以建立ADS（加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界系統(tǒng)）嬗變系統(tǒng)和釷基核能系統(tǒng)為最終目標(biāo)的“未來先進(jìn)核裂變能”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，希望通過開展基礎(chǔ)性、前瞻性和戰(zhàn)略性的先導(dǎo)專項(xiàng)研究，儲備未來先進(jìn)核能的核心技術(shù)和人才，并與我國已有或正在部署的其他重要內(nèi)容一起，構(gòu)成我國近中遠(yuǎn)相結(jié)合的核能發(fā)展完整布局，保障其長期持續(xù)發(fā)展。

利用ADS系統(tǒng)嬗變長壽命核廢料

根據(jù)我國的核電中長期發(fā)展規(guī)劃和相關(guān)預(yù)測，我國的核電發(fā)展速度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于世界核電發(fā)展的平均速度。目前全球在建的28個(gè)核電站中，17個(gè)在亞洲，而我國就占其中的12個(gè)。

有關(guān)專家給記者算了一筆賬：一座1GWe的核電站，按一年使用25噸濃縮鈾計(jì)算，則每年卸出燃燒過的乏燃料約25噸，其中，可再利用的鈾（其中含1%235U）約為23.75噸，钚約200公斤，中短壽命的裂變產(chǎn)物（FPs）約1噸，壽命長達(dá)百萬年的次錒系核素（MAs）約20公斤，長壽命裂變產(chǎn)物（LLFPs）約30公斤。

目前，我國《核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2005-2020）》的調(diào)整方案正在等待國務(wù)院最后審批。其2020年的保守目標(biāo)是運(yùn)行75GWe（1GWe=1百萬千瓦）、在建30GWe，努力目標(biāo)則是運(yùn)行80～100GWe。按保守目標(biāo)估算，到2020年的核乏料累積存量為0.75萬～1.25萬噸；按努力目標(biāo)計(jì)算，則達(dá)到2.0萬～2.5萬噸，其中钚160～200噸、MAs16～20噸、LLFPs24～30噸。

那么，在快速發(fā)展核電的同時(shí)，如何安全地處理處置長壽命核廢料？

美國作為世界上核電規(guī)模最大的國家，采用的是被稱為“一次通過”的方案，也就是核乏料從核電站反應(yīng)堆內(nèi)卸出并經(jīng)冷卻后，直接進(jìn)行永久性地質(zhì)深埋儲存。該方案的出發(fā)點(diǎn)是不分離核乏料中的钚，以免核擴(kuò)散；但這種方案也浪費(fèi)了核乏料中仍可使用的核燃料，而且建設(shè)和運(yùn)行地質(zhì)處置庫的成本極高。更為嚴(yán)重的是，核廢料的放射性壽命長達(dá)上百萬年，“在如此長的時(shí)間內(nèi)，它們對整個(gè)生物圈的放射性危害難以預(yù)估和控制。”相關(guān)專家表示。因此，美國的“尤卡山計(jì)劃”在實(shí)施22年后于2009年9月被奧巴馬政府終止。

法國是世界上核電占全國總發(fā)電量比例最高的國家，達(dá)到80%。因此法國極為重視核廢料的安全處理處置問題，多年來一直致力于建立和完善被稱為“閉式循環(huán)”的核燃料循環(huán)技術(shù)，即對核乏料進(jìn)行分離，把其中96%～97%的鈾和钚再制成核燃料棒進(jìn)行循環(huán)使用，把另外3%～4%的長壽命和高放射性核廢料（主要是次錒系元素和裂變子核）進(jìn)行地質(zhì)永久深埋。“這種辦法可大幅度降低需要地質(zhì)處置的核廢料的體積，但仍沒有解決核廢料的長周期放射性問題。”專家表示。

為更好地解決核廢料的長壽命放射性問題，目前國際核能界正致力于發(fā)展核的嬗變技術(shù)，以便于進(jìn)一步對分離出來的核廢料在經(jīng)嬗變（使其放射性壽命從數(shù)百萬年降低到約700年）后再地質(zhì)深埋，從而使人們在現(xiàn)有的技術(shù)條件下能夠較好地保證安全處置核廢料，消除公眾對核廢料污染的疑慮。

快中子反應(yīng)堆（簡稱快堆）和ADS系統(tǒng)原則上都能嬗變核廢料。據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)研究認(rèn)為，ADS系統(tǒng)具有更高的中子余額和更硬的中子能譜，對嬗變更有利，是安全處置核廢料最有潛力的工具。我國也曾就此組織多次院士咨詢，結(jié)論是“從我國核能可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的地位看，快堆側(cè)重于核燃料增殖，ADS側(cè)重于核廢料嬗變，是比較合理的選擇”。

據(jù)介紹，ADS系統(tǒng)研究是目前國際核能界的熱點(diǎn)。為確保核能的長期持續(xù)發(fā)展，我國也需盡早制定ADS發(fā)展路線圖，而中科院正是瞄準(zhǔn)這一國際研究前沿和熱點(diǎn)，計(jì)劃展開系統(tǒng)性攻關(guān)。

挖掘釷資源潛力

自然界中天然存在的核燃料僅有鈾-235一種，而且其在天然鈾中的含量很低（約0.7%），因此，全球的鈾-235核燃料資源量是十分有限的。國際原子能機(jī)構(gòu)在2009年的相關(guān)報(bào)告中按全球約2TW（1TW=1000GW）的核電規(guī)模估算，鈾-235資源還可供人類使用50～80年。因此要實(shí)現(xiàn)核能的長期可持續(xù)發(fā)展，就必須實(shí)現(xiàn)核燃料來源的多樣化，保障核燃料的穩(wěn)定供應(yīng)。

鈾-238是可人工轉(zhuǎn)換的核燃料，在天然鈾中的含量高達(dá)99.3%。利用快堆可使鈾-238轉(zhuǎn)變?yōu)轭?339，后者再吸收中子后即開始裂變并釋放能量。理論上利用快堆可使鈾核燃料的利用效率比壓水堆提高60倍左右，據(jù)此估算鈾-238可供人類使用上千年。

由于鈾钚燃料循環(huán)過程中會產(chǎn)生大量的钚，因此需要特別重視防止核擴(kuò)散；另外，其費(fèi)用也比較高。據(jù)悉，我國第一座快堆——“中國實(shí)驗(yàn)快堆（CEFR）”在今年7月21日首次達(dá)到臨界，使我國成為世界上第八個(gè)擁有快堆技術(shù)的國家之一，標(biāo)志著我國先進(jìn)核能系統(tǒng)技術(shù)的重大突破。

釷-232是另一種可人工轉(zhuǎn)換的核燃料，它在吸收一個(gè)中子之后將轉(zhuǎn)變?yōu)殁?233。后者的中子產(chǎn)額很高，比鈾-235和钚-239更具優(yōu)勢，可據(jù)此形成釷鈾燃料循環(huán)，而且釷鈾轉(zhuǎn)換過程伴有強(qiáng)γ輻射，可有效防止核擴(kuò)散。特別值得指出的是，地球上的釷資源量是鈾的3～4倍，而我國的釷資源蘊(yùn)藏是比較豐富的。我國已查明的釷資源工業(yè)儲量28萬多噸（ThO2），其中75%以上在白云鄂博的主東礦區(qū)。

但目前釷并未被當(dāng)做核燃料資源得到應(yīng)有的重視，流失十分嚴(yán)重。2005年，徐光憲、師昌緒、何祚庥等15位院士向國務(wù)院提交了《關(guān)于保護(hù)白云鄂博礦釷和稀土資源避免黃河和包頭受放射性污染的緊急呼吁》，建議保護(hù)白云鄂博礦釷和稀土資源，避免黃河和包頭遭受放射性污染，同時(shí)提出研究開發(fā)釷鈾-233循環(huán)堆。該建議很快得到了國務(wù)院總理溫家寶批示：“這個(gè)建議很重要，請國家發(fā)改委閱辦。”專家認(rèn)為，開發(fā)利用釷資源的核能價(jià)值，不僅可擴(kuò)大核燃料的來源，還可解決稀土開采中的釷資源流失和放射性環(huán)境污染問題。

國際原子能機(jī)構(gòu)對釷燃料循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)持肯定態(tài)度。早在2005年4月，國際原子能機(jī)構(gòu)就有報(bào)告指出，釷鈾循環(huán)不僅產(chǎn)生低放廢料，且消耗低；釷鈾循環(huán)轉(zhuǎn)換效率比鈾钚循環(huán)更高；釷鈾循環(huán)可在更寬的中子譜內(nèi)進(jìn)行；釷基燃料的在堆性更好；釷基核廢料的長期暫存和永久儲存處理較簡單；此外它有利于更徹底地消耗钚、廢料的放射性毒性。我國科學(xué)家對此也十分重視，2007年中科院在《21世紀(jì)上半葉我國能源可持續(xù)發(fā)展體系戰(zhàn)略研究》中提出了設(shè)立以釷資源利用為重點(diǎn)的國家重大專項(xiàng)的建議；2008年國家能源局也建議設(shè)立釷資源核能利用國家級科研專項(xiàng)。

目前，核能發(fā)達(dá)國家均制定了釷資源利用的長期計(jì)劃，積極推進(jìn)相關(guān)研究。以印度為例，印度的釷資源比中國更豐富，印度已制定了三階段核能發(fā)展計(jì)劃，并計(jì)劃在2050年左右實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。他們建立了使用鈾-233燃料的Kamini研究堆，并在Trombay的研究堆和重水堆中輻照釷燃料；同時(shí)也在積極推進(jìn)先進(jìn)釷燃料重水堆（AHWR）的設(shè)計(jì)與開發(fā)。日本也于2008年10月牽頭并聯(lián)合美、法等成立了釷基熔鹽堆國際合作論壇，確定了研究戰(zhàn)略，制定了路線圖并提出綜合釷基熔鹽核能系統(tǒng)的設(shè)想。其他歐盟數(shù)國、美國、加拿大等也都推出了相關(guān)研究計(jì)劃。

要開發(fā)利用釷-232的核能價(jià)值，就必須掌握釷的完整的核數(shù)據(jù)，深入理解和掌握從釷-232到鈾-233的轉(zhuǎn)換規(guī)律，同時(shí)要研究適應(yīng)釷的特點(diǎn)的反應(yīng)堆。據(jù)介紹，我國從上世紀(jì)60年代開始，曾開展過30多年的釷鈾循環(huán)基礎(chǔ)研究，但總體上基礎(chǔ)仍然很薄弱。

路線圖清晰

在采訪中，記者看到對于開展釷基核能系統(tǒng)和ADS嬗變系統(tǒng)兩大內(nèi)容的戰(zhàn)略性、前瞻性、基礎(chǔ)性研究，中科院已經(jīng)有一個(gè)清晰的科技發(fā)展路線圖。

在ADS嬗變系統(tǒng)方面，中科院初步擬定了三階段計(jì)劃，分別在2016年、2022年和2032年前后，先后建成預(yù)研裝置、實(shí)驗(yàn)裝置和示范裝置；此后將進(jìn)入技術(shù)轉(zhuǎn)移及商業(yè)應(yīng)用和推廣階段。

在釷基核能系統(tǒng)方面，計(jì)劃在到2015年左右的第一階段，集中力量加強(qiáng)釷鈾循環(huán)和熔鹽反應(yīng)堆技術(shù)的基礎(chǔ)研究和技術(shù)攻關(guān)，在此后的2020年和2030年前后，力爭完成10兆瓦的釷基熔鹽原型堆和100兆瓦的示范堆。