做和第四代核能发展的困境

第四代核能发展的困境

2002年美国能源部发起“第四代国际论坛”(GIF)，核科学界曾“为之一震”，新一代核能系统研发有很大起色，但目前“步履维艰”；2006年发起“全球核能合作伙伴”(GNEP)，也“风靡一时”，得到世界许多国家的支持，但执行起来“困难重重”。几个国家宣布2020年建成第四代钠冷快堆(SFR)原型机，但广泛商业部署时间要到年之后。在能源紧缺、全世界紧急呼吁发展“低碳经济”，社会公众、甚至绿色和平组织的创始人都寄希望于核能的“空前大好”时机，核工业界却推不出使人振奋的发展规划。真正能够实施的项目仍然是现代“热堆”。传统核能发展有什么“坎”过不去？希望在哪里？这是作者希望探讨的问题。

1. 核能是可持续的能源

学“核”出身的人，很少怀疑核能的“可持续性”。因为爱因斯坦质能关系E = MC2是经证实、宇宙普遍适用的客观规律。地球上的能源最终来源于质量转换为能量的核反应过程。原子核内蕴藏着极大的能量，比原子、分子的化学能高百万倍！

上个世纪前期是核物理学发展的“黄金时代”。1896年英国科学家贝克勒尔发现放射现象后，1905年德国理论物理学家爱因斯坦提出了质能关系定律，引起物理学界的思考与探索。1932年英国物理学家詹姆斯 查德威克发现中子；1835年日本物理学家汤川秀树提出原子核本性假说，核由质子与中子组成，靠“核力”克服质子间的固有斥力，束缚在一起。1939年1月德国化学家哈恩和斯特拉斯曼发现铀裂变，但无法做出科学的解释；奥地利女物理学家梅特娜和她的外甥物理学家弗里希把哈恩的实验现象与爱因斯坦理论结合起来，既说明了核裂变的本质，也证实了E=MC2定律的普适性。核裂变同时释放大量能量的及其骇人的可能性，在极短时间内引起核物理学界的震惊是难于形容的。“世界上只要有核物理学家的国家都在讨论、实验或发展核能”，连大学物理专业的学生都在议论这一发现的重大意义[1]。1942年12月2日，费米领导的核科学家在芝加哥大学体育馆地下室内首次实现受控的链式核反应，宣布世界进入“原子时代”；1951年12月20日钠化钾冷却实验快堆EBR-I首次发电点亮4个灯泡[2]，则是理论指导实践的范例与核能成功跻身能源行列之光。

1951年12月20日，阿贡国家实验室I#实验增殖堆（EBR-I）

首次发电，

用四个点亮的灯泡标志这一历史事件

从发现核裂变至今只有70年，但核电装机达到370百万千瓦（GWe），占世界电力容量的16%、发电量的20%、一次能源供应的6%，成为不可或缺的三大能源支柱之一，是人类智慧创造的伟大奇迹！

尽管发现自然界可能裂变的物质只有铀和钍，目前利用的核能还限于天然铀中含量0.71%的铀-235，但科学实践证明天然铀和钍中蕴涵的核能都能开发出来。铀和钍是地球壳层含量比较丰富的化学元素，除自然衰变成为“地热”和天然放射性本底与污染源外，其它用途有限。但充分开发利用铀和钍的裂变能，就可最终解除世界能源供应的忧虑，改变几十亿人的生活方式，提高生活质量，使全人类活得有“尊严”。

因为，铀或钍的裂变能得到充分利用，一百万千瓦(1Gwe)的核电机组每年只需1吨核燃料。2050年全世界90亿人口，按照西方先进国家人均耗能的1/2考虑(～3kWe，目前中国人均1.6kWe)[3]，27000 GWe核电机组，年需核燃料2.7万吨，靠现有的天然铀资源(470万吨)可供应～200年。如果考虑陆地花岗岩和海水中的天然铀(分别为2200万吨和4亿吨)，再加上钍资源，实际上可供应人类能源几千、上万年。这是核科学界的“追求”和“梦想”。它的代表人物、诺贝尔物理奖获得者、美国原子能委员会主席西博格1972年曾保证，“2000年前后核裂变不仅会在全球电力生产中占主要地位（随着快增殖堆份额的增加），而且我们还要依靠商业聚变与核推进宇宙飞船载人去火星”；美国原子能委员会1974年预报，2000年美国核装机容量为1200GWe[4]。

然而目前的现实是，全世界运行的～440台核电机组，多是靠固体铀/钚燃料运行的热（中子）堆，卸料前增殖的钚裂变占输出热能的%。乏燃料卸出后，绝大多数现场冷却、储存，用增殖钚运行的反应堆很少。自然界钍是铀资源的三至五倍，但只有印度计划大规模用于核电。中国某些地方钍资源呈尾料、矿渣形态，严重污染着周边环境[5]。

2. 近期发展核电, 轻水堆是“唯一选择”

美国“智库”MIT（麻省理工学院）在核能上是个“中间”偏右的多学科研究机构，早在美国能源部发起研发“第四代”核能系统的初期(2003年)就在其综合报告“核能的未来”中明确表态，“在今后50年内，满足经济、安全、废物管理以及防止核扩散方面最好的选择是开环、一次通过燃料循环”。而且说“在全球核电装机容量逐渐增长的情景下(如2050年达到1000GWe)，有足够的铀资源可以合理的成本支持这个选择”[6]。MIT物理学教授欧内斯特 莫尼斯(曾任能源部副部长)甚至断言，“未来几十年内，轻水堆(LWR)将是唯一选择”[7]。

所谓“开环”或“一次通过”核燃料循环，就是天然铀或浓缩电子万能实验机现在工业使用的愈来愈多铀燃料在反应堆内“燃烧”一次，出堆后经冷却、包装后放入地质处置场永存。的确，目前世界在建与计划建造的核电机组，轻水堆占绝对优势,但对MIT“有足够铀资源”的乐观，认识并不一致。1GWe的轻水堆机组60年运行寿期约需要1万吨天然铀，如电厂业主按40%的燃料准备，现有的资源就很紧张。而且，要考虑世界日益紧张的能源供应现实引发的变化。

传统石油衰退即将来临，天然气的峰值也只是10年后的事件，而且比全球变暖的长远危机更加严重。两组事件推动快速发展与部署低碳基能源系统。可再生能源的最大限值是能源需求的20%，而且只适合人口分散的农村和边远地区。除了化石燃料之外，世界能源供应只能依靠核能[8]。

1980年以来，石油消耗超过新发现，与年石油峰的预计一致

近期发展核电，中国走在世界前列，为某些国家效法和羡慕。有个美国人在上写道，中国要建造那么多的核电而美国的议员们却无动于衷，“恨不得搬起椅子把他们砸醒”。

当前的事实是美国政府、特别是奥巴马政府基本上接受MIT的观点。尽管突出节能和发展可再生能源，甚至花巨资投入碳捕获与扣押技术，但有可能发现其它措施作用有限(可再生能源)或不现实(碳捕获与扣押技术)之后，转而接受共和党的提案，建造更多的核电。就在最近，奥巴马批准了“全美近30年来第一个核反应堆建设提供85亿美元的贷款担保”，而且“还要求国会将预算中与核能产业相关的贷款担保金额从185亿美元提高到540亿美元”。日本经济产业省最近制定的能源基本计划草案，“以确保安全为前提，重点发展以核电为主的低碳电源，到2030年至少增加14座核电站，核电站利用率从现在的60％提高到90％”。

这是个重要信号。说明西方世界尽管对核电仍然有点神经过敏，但有可能发生“急转弯”。加上其它国家，包括印度、俄罗斯和其它国家庞大的发展计划，对世界铀资源可能出现短缺，不能掉以轻心。

正在北海下每天2700吨/天扣押CO2，占美国煤炭发射～0,03%

“热堆”取得这样的成就，得到这么多的重视与考虑，有现在的辉煌，而且还要“坚持若干年”，实可谓制约钛酸锂电池大范围利用的1个最重要缘由在出乎核能先驱们的“意外”。因为在他们看来，热堆的“优势”实在可怜（中子经济极差，热效率太低），发展热堆只是“权宜之计”。“采用目前的反应堆，只利用1％左右的天然铀”，“核能可能注定要消亡”。早就应该通过“闭(路循)环”，过渡到更先进的“增殖”堆了！只要“闭环”的增殖堆实验成功并大规模部署，核燃料资源不存在“任何问题”。

3. 核燃料“闭环”—核科学家的“伊甸园”

早在核能发展初期，核科学先驱们就清醒地认识到：天然铀资源有限，靠消耗其中0.71%铀-235的热堆，核能毫无希望。核裂变产生的长寿命、高毒性核素和裂变产物，经分离、嬗变成为短寿命或稳定的核素，才能得到社会公众的接受。为此，必须建造 “快堆”，把“可转换的”铀-238转化为“易裂变的”钚-239，在堆内多次循环，实现燃料“闭环”增殖，提取核燃料潜藏的全部量。同时利用多余的中子与长寿命、高毒性核素和裂变产物反应，“嬗变”或分裂成为短寿命或稳定的核素。某些难以嬗变的裂变产物，提取出来单独处理，做成“放射源”、医用同位素和微型电源等，变废为宝。建造永久性“处置场”，使少量残留长寿命的、经济上不值得回收的废物与生物圈保持“隔离”，保护环境和周围居民的健康。

商用热堆乏燃料，铀占绝大部分。反应堆运行，铀“转换”为钚，是快堆运行需要的核燃料。长寿命、高毒性重核素—次阿系元素(MA)很少（主要是镎、镅和锔），可入堆“嬗变”为易裂变材料“销毁”。核裂变的固态裂变产物大部分是稳定或短寿命的裂变产物，不到百年，可变为有用的矿藏。其中稀土元素Tc、 Ru、 Rh、Pd，比地壳的富集度高百万倍；放射性锶和铯是很有用的稳定“热源”；长寿命的碘和锝需要入堆“嬗变”为稳定元素[9]。

按照对实验进程的控制是通过单片机自动控制来实现的核科学家的设想，乏燃料经“后处理”、快堆“嬗变”作“闭环”运行，“核废物”在年内放射毒性低于矿井内原始矿石的水平。这将减轻远期泄漏或地质不稳定带来的任何危害的感觉。在核科学家看来，乏燃料中的核“废物”是“宝藏”，负担很少，核能发展“前途无量”。几十年的科学研究证明，核能先驱的理想是可以实现的。但是，要把他们的梦想变为现实，还要花费几十年时间，克服许多理论和实践的障碍，经过许多的艰难曲折……

问题在于实现核燃料“闭环”，要把“后处理”、燃料制作和“快堆”增殖三个环节作为一个系统，进行“从摇篮到坟墓”式的系统分析，逐一检查并消除内部存在的“魔鬼”。而过去的经验教训是，三个关键环节“各自为战”，系统分析不足。“魔鬼在细节之中”，阻挡着核能顺利前行。

4. 传统核能发展的困境

目前世界各国核燃料“循环”有三种选择：“开环”、“闭环”和“等等看”。“等等看”就是看核电发展的形势，怎么最“有利”就怎么干。实际上，这不能称为一种“选择”，但近来持这种“选择”的国家越来越多,而且认为是“最聪明”的选择[10]。

“开环”就是核燃料在堆内“烧”一次，出堆后经冷却，作为核“废物”运到地质“处置场”作可回取或不可回取式的“最终处置”。最初提出这种循环方式的是美国人，至今还在坚持的也是美国人。但真正实际采用的可能只有准备分阶段“关闭”核电的国家。世界上没有真正的核科学家会赞成这种循环方式，因为乏燃料的“内容”太珍贵了。有人比喻说，这好比把刚刚在“壁炉”里烧糊了树皮的“原木”当垃圾扔掉了！

最近，美国的情况有变化。面对新的能源危机和“节能减排”的压力，奥巴马政府采取的许多行动促使美国不能坚持“开环”：军事核遗产和民用核废料是个沉重负担；近期宣布撤回内华达州尤卡山(Yucca Mountain)核废物处置场建造许可证申请，决定设立超党派的美国核未来“蓝带委员会”，就乏核燃料和核废物管理制定安全、长期的解决办法提出建议。尽管“蓝带委员会”两年之内才能提出报告，但结果有可能放弃“开环”，选择“闭环”。

“闭环”的理由是使核能有实质性增长。可分为“准”闭环和“完全”闭环，是目前世界各国普遍追求、“先易后难”的两种方案。

“准”闭环，又称“有限再循环”，就是乏燃料经“后处理”提取剩余的铀和经转换生成的钚同位素。之后钚同位素加入浓缩工艺的尾料“贫铀”制成铀钚混合氧化物(MOX)燃料，重新入堆“燃烧”。剩余的、堆内运行产生的次阿系元素（MA）和裂变产物共同作为高放废物处理(玻璃固化)或暂存(高放废液罐)。MOX燃料多数作为热堆燃料循环1－2次，少部分作为实验性原型快堆的驱动燃料。MOX乏燃料后处理试验证实可行，但没有足够的快堆消耗这种再循环的燃料，所以没有继续进行后处理[11]。

目前，法国和日本采用就是这种“准”闭环。西方发达国家和许多核科学家对MOX燃料本身持有异议，担心社会公众反对，明确这种循环方式不符合第四代国际论坛的最新“要求”[12]。

“完全”闭环，还要提取乏燃料中所有的长寿期核素进入快堆“嬗变”，直至彻底“销毁”。目前还没有“完全”闭环系统的国际范例。有些国家在闭环方面采取了零星的步骤，最突出的是法国，但迄今为止还没有一个国家完成了这项任务。

4.1. “后处理”的挑战

目前世界核电机组运行卸出的乏燃料，大多临时储存在核电现场乏燃料水池或干式暂存罐内等待“处理”。有的核电厂已经关闭，但乏燃料“去向”不明；快堆“增殖”的核燃料还“闭锁”在乏燃料内。在无形之手与有形之手间寻求均衡全世界等待处理的乏燃料约200000吨，而且还以每年20000吨的速度增加。

其实，发展核电的国家都知道“后处理”的优势。实际问题是选择什么后处理工艺，与现在运行或即将开发的快堆如何“配置”，安全与经济性能如何，存在广泛、而且尖锐的争议。

已经采用或还在研究的后处理工艺“名称”繁多，但基本上就“湿法”和“干法”两种，而且都源于美国。“湿法”就是过去军用钚提取工艺，现已演进得比较成熟。“干法”不能简单地军用，放弃了；后来开发快堆又捡起来用于钠冷快堆EBR-II循环燃料后处理，而且很成功。但是，用于民用核电乏燃料后处理，达到第四代核能系统设定的要求，两种工艺都要进一步开发，而且需要的时间很长。

美国最早采用“湿法”处理生产堆、两用堆乏燃料提取军用钚。实践的结果是后处理现场若干液态高放废物大罐泄漏的威胁与核扩散风险，致使美国政府宣布放弃后处理，采用“开环”。据说美国处理这种遗产，大概需70多年，费用约3000亿美元。有人说“湿法”后处理1M3乏燃料产生5000M3高放废物和M3低放废物[13]，这也太恐怖了！美国多数专家推崇“干法”，湿法很难获得通过。目前美国没有运行的“民用”后处理厂。

英国、法国、日本、俄罗斯等执行乏燃料后处理的国家，采用集中式湿法后处理。英国后处理厂经营状况不好，信用不良，缺乏国外订单，设备状态老化，宣布将要关闭[14]。俄罗斯后处理厂规模小，设备老化，答应处理的国外乏燃料（包括国内快堆乏燃料）多储存在后处理厂水池内。想扩大规模，但资金困难[15]。日本从法国进口的800吨/年处理能力的后处理厂还在调试中，预计2013年投产[16]。只有法国后处理厂从国外订单获得大量利润，而且利用预付定金扩大处理规模，还向美国能源部大力推销它的技术[17]。这些国家也都在研究“干法”工艺，做“转身”的准备。

目前世界各国的“闭环”，实际上都是湿法-MOX燃料循环。工艺流中的长寿命、高毒性次阿系元素和裂变产物混合成“废物流”，进入固化流程或在高放废液大罐内暂存。同时都在进行次阿系元素和某些裂变产物靶件“嬗变”实验。实验性凤凰快堆关闭后，法国、美国和俄罗斯都寄希望于日本的文殊原型快堆，希望得到“异质”靶件嬗变的“福音”[18]。但文殊快堆的再启动时间“一拖再拖”。幸运的是，2010年5月6日文殊快堆终于重新启动，但“如何防止再次发生事故是个重要课题”[19]。

美国阿贡实验室开发的“干法”后处理工艺广受青睐。因为高温电冶金工艺，乏燃料无需冷却，废液量少，没有纯钚“流”，防扩散能力强。但属半连续运行方式，在厚重屏蔽的热室内遥控完成乏燃料后处理和循环燃料制作全过程，产品质量保证和设备故障处理难度极大，还处在实验室或半工业规模阶段，距大规模商用还有很大距离[20]。

后处理工艺，无论干法还是湿法，都要使工艺流中核燃料与嬗变核素组分的工艺损失尽量少，进入废物流的阿系元素