從1％到95％，“吃幹榨淨”核廢料

編者按

前不久，中國科學院兩大科學裝置專案總部區工程在廣東省惠州市開工。按計劃，強流重離子加速器（HIAF）和加速器驅動嬗變研究裝置（CIADS）這兩臺“國之重器”，將在2021年中建成。建成後，有望成為世界最先進的核物理研究裝置，並帶動形成國際領先的核物理研究中心。

其中，CIADS作為我國加速器驅動先進核能系統的燃燒器部分，將深入探索核廢料嬗變過程中的科學問題，突破系列核心技術、檢驗系統穩定性和可靠性，為未來工業示範裝置奠定基礎。

這一先進裝置的研發，離不開科學家對基礎科學問題的長期探索。2010年，自然科學基金委設立了重大研究計劃“先進核裂變能的燃料增殖與嬗變”，旨在以該領域關鍵基礎科學問題為核心，在先進核能體系中的核燃料及其核過程、核燃料在先進反應堆燃燒過程中的基本行為及其增殖與嬗變、乏燃料後處理的新方法與新機理等方面取得創新性成果，最終解決戰略性和前瞻性重大科學問題。

該重大研究計劃歷經8年，取得了豐碩成果。本期基金版將總結該重大研究計劃取得的經驗，展示取得的成績。

詹文龍（右一）在惠州CIADS裝置場區現場指導工作。

■本報見習記者 程唯珈

近日，日本政府公佈第5次修改過的福島第一核電站報廢計劃路線圖，將從2021年開始取出核燃料殘渣，併力爭在2031年將所有燃料棒取出。

如何解決核燃料的利用效率和乏燃料的安全處理處置問題，是國際核能介面臨的共同挑戰。

自2010年起，在國家自然科學基金重大研究計劃“先進核裂變能的燃料增殖與嬗變”及之後的中科院戰略性先導科技專項A類支援下，歷經8年，中國科學家將核燃料利用率從“不到1％”提高到“超過95％”，有望使核裂變能從目前的百年變為近萬年可持續、安全、清潔的戰略能源。

“燙手”的乏燃料

核燃料是核電站的“糧食”，持續不斷地在反應堆內燃燒，以供應核電執行。然而，燃燒後卸出的大量乏燃料，卻成了“燙手山芋”。

“就像燒煤球，有些外面燒透了裡面還是沒有燒掉。”該重大研究計劃指導專家組組長、中國科學院院士詹文龍告訴《中國科學報》，實際上，核反應堆真正燃燒的東西很少。一般核能的功率密度是化學能的百萬倍，現有核燃料能夠燃燒的不到1％，剩餘99％多為乏燃料，具有很大的放射毒性，危害時間長達10萬年之久。

“和國際上大多數核電站一樣，我國核電站的乏燃料多暫存在核島內的水池中。”詹文龍介紹，一般核電站的水池設計容量僅能滿足其15~20年的乏燃料總量。

而與之形成對比的是，全世界核電每年卸出的乏燃料大約10500噸，截至2008年累計總量已超過270000噸。

如何處理這些“燙手山芋”？目前國際上通常有兩種方法。

一種是“一次透過”方式，即將乏燃料作為“廢物”。經過暫時儲存和適當包裝後，直接進行最終地質處置，將廢物埋藏在500~1000米深的地質層中，使之與周圍的生物圈隔離。

另一種是 “閉合燃料迴圈”方式，即將乏燃料視為“資源”。經過後處理分離出鈾和鈽等有用的核材料，回到熱中子或快中子反應堆迴圈使用。後處理產生的高放廢液經過玻璃固化之後，再進行最終地質處置。

乏燃料中仍有95%的鈾沒有燃燒，同時還會產生一些新核素，如1%的鈽和4%的其他核素。

“法國的燃料閉環方案是回收鈾、鈽等易裂變材料，以及可以利用的次錒系元素等物質，並製成核燃料元件再次使用，而其他放射性核素固化製成玻璃塊狀的高放廢物封存。” 詹文龍補充道。

其中，核燃料的增殖是鈾釷資源利用最最佳化的核心，而乏燃料的分離嬗變則關係到核廢物的最少化。

2010年，國家自然科學基金委員會發布重大研究計劃 “先進核裂變能的燃料增殖與嬗變”申請指南，詹文龍帶領的團隊獲批。

次年，福島第一核電站發生嚴重洩漏事故，再度為全球核安全蒙上陰影，研究團隊愈發覺得肩上的責任重大。

“日本多使用的是法國的閉合燃料迴圈方式，投入很大，只進行分離無法有效解決乏燃料問題。我們覺得應該儘快開發出新的完全迴圈利用方式，促進全球核能可持續發展。”他說。

從1％到95％

想要實現核燃料的增殖與嬗變，需要依靠加速器驅動次臨界系統（ADS）。

這套系統是加速器、散裂靶和反應堆的“結合體”。“簡單地說，我們篩選出乏燃料中毒性最高的那一部分，用加速器把它給打碎，這樣其壽命可大大縮短，放射性毒性可以消減。”詹文龍說。

2012年，該核能系統中關於最佳化資源和廢物的新思路在詹文龍腦海中形成了雛形。他的想法是，首先簡化乏燃料再生，先排除大於50%裂變產物再轉化為再生乏燃料。然後利用可控高反應性快中子燃燒器，燃燒含大於50%裂變產物的再生乏燃料。

在降低毒性方面，則只需對50%的裂變產物提純，剩餘50％保持不動。這樣減少了分離的難度，也沒有核擴散的危險。

此外，團隊還原創性提出顆粒流散裂靶的概念並建成原理樣機。其原理和沙漏類似，高密度散裂靶熱可匯出異地實時處理，有效減少引起的放射性次級汙染。

不過，傳統的ADS只是把長壽命高放核廢料進行嬗變處理為短壽命或低放核廢料後再進行地質永久處置。從商業上來說只有投入沒有產出，是“賠錢”的系統，因此，團隊後又原創性地提出了加速器驅動先進核能系統（ADANES）這一全新概念。

ADANES是集核廢料的嬗變、核燃料的增殖以及核能發電於一體、具有固有防核擴散特性的先進核燃料閉式迴圈技術。可將鈾資源利用率由目前的不到1%提高到超過95%，處理後核廢料量不到乏燃料的4%，放射壽命由數10萬年縮短到約500年。

“不光做嬗變，把毒物減少，同時提高核資源的利用率，使燃料增殖，過程中還能正常發電，同時也提高了經濟競爭力。”詹文龍表示，目前他們已完成了一系列實驗室模擬原理驗證實驗並取得了突破性進展和應用。

AB方案同臺“競技”

據瞭解，該重大研究計劃聚集了國內相關領域的各研究單位。自實施以來，為確保ADS/ADANES的順利實施，專案實行了A/B角、A/B方案，同臺“既合作又競技”。

詹文龍回憶，樣機制作過程中技術變化很大，尤其在強流超導直線加速器研發方面，很多小組都提出了不同的技術路線。“往往上半年提出的方案，下半年就有可能被推翻。”

於是，專案組讓中科院近代物理研究所和中科院高能物理研究所作為A/B角依照各自方案實施製作。經過對比研討、攻關，我國最終引領了這一重大核心技術。

目前，專案中的加速器技術在國家重大科技基礎設施中已有應用，並受到部分企業的青睞，還可衍生至藥物的靶向同位素治療。

值得一提的是，該重大研究計劃大大促進了基礎放射化學的學科發展。

不過，核能研究具有高門檻、高投入、高風險和高效益等特點，所需經費往往是其他一些學科的數倍或幾十倍。同時，核能研究週期較長，一般每一代核電升級需要20~30年。

詹文龍指出，核能研究特別重視基礎、應用和工程之間的協同發展，在基礎研究成果為國家重大工程專案服務方面還需要進一步加強。

“希望相關部門能夠延續對先進核裂變能方向的資助，繼續培育學科力量，更好地發揮核能在交叉學科中的支撐作用以及為國家重大需求服務。”他說。

《中國科學報》 （2020-01-20 第4版 自然科學基金）