科技改變生活 · 科技引領(lǐng)未來(lái)
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中國(guó)的核能技術(shù)發(fā)展到什么水平了？隨著我科技的快速發(fā)展，我國(guó)的清潔能源領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化。我們不緊不慢地推進(jìn)著核電站的建設(shè)，力求安全高效地進(jìn)入清潔能源時(shí)代。而要想核能做到完全“清潔”，核廢料處理技術(shù)的發(fā)展也是重中之重。2016年，中
中國(guó)的核能技術(shù)發(fā)展到什么水平了？隨著我科技的快速發(fā)展，我國(guó)的清潔能源領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化。我們不緊不慢地推進(jìn)著核電站的建設(shè)，力求安全高效地進(jìn)入清潔能源時(shí)代。而要想核能做到完全“清潔”，核廢料處理技術(shù)的發(fā)展也是重中之重。
2016年，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所研制的“未來(lái)先進(jìn)核裂變能——ADS嬗變系統(tǒng)”超導(dǎo)直子加速器注入器Ⅱ原型機(jī)研制取得重大進(jìn)展。在此技術(shù)的支持下，我國(guó)首座鉛基核反應(yīng)堆零功率裝置“啟明星Ⅱ號(hào)”首次實(shí)現(xiàn)臨界，標(biāo)志著我國(guó)在此領(lǐng)域已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。這項(xiàng)技術(shù)一出現(xiàn)，日本就想買(mǎi)下了，開(kāi)價(jià)3000億美元，美國(guó)更是開(kāi)出6000億美元的高價(jià)想將此項(xiàng)技術(shù)買(mǎi)下，但均被我國(guó)一一回絕。究竟是怎樣的技術(shù)能讓美國(guó)日本自愿掏腰包？
ADS嬗變系統(tǒng)是啥？
ADS是加速器驅(qū)動(dòng)次臨界潔凈核能系統(tǒng)（Accelerator Driven Sub-critical System）的簡(jiǎn)稱(chēng)。這個(gè)系統(tǒng)具有強(qiáng)大的嬗變能力，安全性高，中子經(jīng)濟(jì)性好。不但能提高核燃料的利用效率，也能增殖核燃料和利用釷作為燃料發(fā)電，最重要的是，它在嬗變核廢料方面有其他系統(tǒng)難以替代的優(yōu)勢(shì)。
ADS嬗變系統(tǒng)由質(zhì)子直線(xiàn)加速器、重金屬散裂靶、次領(lǐng)界反應(yīng)堆、平臺(tái)及配套設(shè)施五個(gè)部分組成。工作原理是，利用加速器產(chǎn)生高能強(qiáng)流質(zhì)子束，用質(zhì)子束轟擊重核，產(chǎn)生寬能譜和高通量中子作為外源，驅(qū)動(dòng)次領(lǐng)界堆芯中的裂變材料，促使裂變材料發(fā)生持續(xù)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。使得長(zhǎng)壽命的放射性核素最終變?yōu)榉欠派湫曰蚨虊勖暮怂兀S持反應(yīng)堆運(yùn)行。
強(qiáng)流高功率離子束是核工業(yè)的尖端技術(shù)，是各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家爭(zhēng)先搶占的技術(shù)高地。這項(xiàng)技術(shù)被我國(guó)突破，無(wú)疑是先人一步卡住了別人的脖子。
啟明星Ⅱ號(hào)
啟明星Ⅱ號(hào)全稱(chēng)為鉛基核反應(yīng)堆零功率裝置，ADS嬗變系統(tǒng)就是運(yùn)用于啟明星Ⅱ號(hào)中。啟明星Ⅱ號(hào)運(yùn)用于核電站中，不但能將核燃料的使用效率提高到95%，還能對(duì)核燃料消耗完成后產(chǎn)生的核廢料再次回收利用。該裝置中的鉛基中含有鉛冷質(zhì)，可以讓核廢料失去放射性，也可以將核發(fā)力釋放的能量再轉(zhuǎn)化為電能。
這個(gè)裝置厲害在哪里呢？目前，世界上所有擁有核電站的國(guó)家最常用的處理核廢料的方式就是掩埋和儲(chǔ)存。中國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等國(guó)家都是采用處理后陸地掩埋的方式；美國(guó)日本則是將所有核廢料儲(chǔ)存起來(lái)，等待日后繼續(xù)研究。而啟明星Ⅱ號(hào)則可以將核廢料回收再利用，不但緩解了核燃料短缺的問(wèn)題，也初步解決了核廢料的處理問(wèn)題。
核廢料沒(méi)有那么“廢”
核廢料就是進(jìn)行核工業(yè)活動(dòng)時(shí)，核燃料燃燒產(chǎn)生的放射性廢料，但從專(zhuān)業(yè)的角度來(lái)說(shuō)，核廢料還不是完全的“廢”，燃燒過(guò)后會(huì)變成乏燃料。乏燃料是什么呢？核電站所用的燃料是二氧化鈾，主要成分是3%~5%的鈾235。燃料燃燒一段時(shí)間后，鈾235含量減少，含量降到1%時(shí)就不能再提供能量，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)也無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，這時(shí)就需要將核燃料從反應(yīng)堆中拿出來(lái)。拿出來(lái)的這些東西就是核廢料，核工業(yè)領(lǐng)域稱(chēng)它為乏燃料。總的來(lái)說(shuō)，核廢料就是不能繼續(xù)在反應(yīng)堆里燃燒，繼續(xù)提供能量，經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和可靠性都不夠強(qiáng)的燃料。
核廢料為何還能回收利用
核燃料在燃燒反應(yīng)前只有二氧化鈾，燃燒反應(yīng)后會(huì)通過(guò)裂變產(chǎn)生50多種新元素，這些元素幾乎占據(jù)了一半的元素周期表，同位素多達(dá)上百種。例如氦氖等惰性氣體元素、 鑭鈰等稀土元素、鈾钚等放射性元素。但是乏燃料中95%的物質(zhì)依然是鈾，將乏燃料回收后，再?gòu)闹刑崛♀?35做成新燃料。
為什么要回收核廢料
乏燃料中雖然只含有1%的鈾235，但要知道，天然鈾礦中的鈾235含量只占0.7%，其他99.3%是鈾238，所以獲得天然鈾礦后要經(jīng)過(guò)提取才能獲得核燃料。平均每噸地殼物質(zhì)中含有2.5克鈾，如果每次使用后的乏燃料都只經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理掩埋的話(huà)，地球上的鈾資源只夠人類(lèi)用幾十年。
乏燃料提取過(guò)后，會(huì)剔除其中的反射性元素，減小核廢料的體積，也減少了核廢料對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的潛在威脅。
乏燃料中95%是二氧化鈾、1%是增殖產(chǎn)物钚239、4%~5%的裂變產(chǎn)物。裂變產(chǎn)物中有一部分錒系元素可以另作他用（錒系元素：元素周期表中原子序數(shù)為89~103區(qū)間的元素）。比如镎237，可以用來(lái)做核電池，進(jìn)行火星探測(cè)的“天問(wèn)一號(hào)”由于無(wú)法利用太陽(yáng)能發(fā)電，就需要用到這種核電池。
（核電池）
核廢料回收利用的難度有多大
核廢料回收后要將通過(guò)化學(xué)分離法將各個(gè)元素分離出來(lái)，分離后會(huì)產(chǎn)生大量的化學(xué)廢液，廢液中就含有放射性物質(zhì)，但是液體在環(huán)境中會(huì)很容易擴(kuò)散，所以要將廢液制成固化體。現(xiàn)在最常用的方式是玻璃固化，做成屏障后就能保證放射性核素?zé)o法在環(huán)境中遷移。
而分離的過(guò)程也很困難，因?yàn)槊糠N材料的溶解度不同，將所需物質(zhì)從廢料里分解出來(lái)就像是在沙漠里淘金。所以無(wú)論是分離使用的萃取液，還是相關(guān)的化工設(shè)備，制造起來(lái)都很難。所以可以說(shuō)，核廢料回收處理是人類(lèi)目前所知的最復(fù)雜，最具有挑戰(zhàn)性的化工分離工藝。
啟明星Ⅱ號(hào)設(shè)備就是利用核電站的核廢料來(lái)做燃料發(fā)電，同時(shí)還能降低核廢料的污染，降低核廢料后續(xù)處理的難度，可見(jiàn)它的含金量有多高。
我國(guó)于2005年就建成了啟明星Ⅰ號(hào)，但只是一個(gè)基礎(chǔ)研究裝置，而且當(dāng)時(shí)互聯(lián)網(wǎng)不發(fā)達(dá)，知道的人還很少。2019年，啟明星Ⅲ號(hào)在中國(guó)原子能科學(xué)研究院實(shí)現(xiàn)首次臨界，并正式啟動(dòng)鉛鉍快堆芯特性物理實(shí)驗(yàn)。
相比啟明星Ⅱ號(hào)使用的鉛堆，鉛鉍快堆可以在較低的溫度下運(yùn)行。而且中子經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)良，不僅能提高資源利用率，也更利于預(yù)防擴(kuò)散。可以用于千萬(wàn)級(jí)的大型電場(chǎng)、深海空間站、海上石油開(kāi)采平臺(tái)、偏遠(yuǎn)地區(qū)能源供給等。啟明星Ⅲ號(hào)已經(jīng)進(jìn)入工程化階段，也意味著我國(guó)在鉛鉍快堆研發(fā)領(lǐng)域已走在國(guó)際前列。
馬夕