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科普百篇系列(130) ‘启明星号’,突破“核废料处理”技术

添加时间:2024-02-06

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科普百篇系列(130)

‘启明星号’,突破“核废料处理”技术

徐长发,华中科技大学,2021.12.25.

不少人认为“核能太不安全了”,原因主要是3方面的:1)认为核裂变的材料(铀-235,钚-239和铀-233)储量太少,提取困难,提取过程就会受到放射性的伤害;2)认为核事故太可怕了;3)认为核电站的‘废料’即‘乏力棒’的放射性存在几百年上千年,处理乏力棒既危险又污染环境。正由于此,有些国家甚至提出“弃核”,不再使用核能。

核能科技工作者可不这么看,他们认为:1)‘核事故’是完全可以避免的,第三代裂变核电站就已经很安全了;2)以前由于研究不够深入,‘乏力棒’才处理困难,现在可以‘用加速器产生中子’去‘轰击乏力棒’,乏力棒可以再利用,最终形成的‘核废料’极少,放射性很低;3)现在可以用钍做核能原料,钍的储量丰富且几乎没有放射性,用钍原料的核电站,即第四代核电站,更加安全可靠;4)核能是清洁能源,可以大力发展。

本文介绍我国启明星号突破‘核废料再利用’技术,该技术解决了世界关注的核能难题。该技术是‘裂变核能’大发展的里程碑,也是我国核技术走向世界的名片。

一.核燃料棒和核乏力棒

1.核燃料棒

自然界中的铀有3种同位素,铀-234、铀-235和铀-238;它们都有放射性,放射性延续数亿年;其中的铀-234和铀-238不会发生核裂变,只有铀-235的原子能够发生核裂变。

自然界中的铀矿中,铀的氧化物含量是很低的,提取过程非常复杂。在铀的提取物中,铀-235占0.72%, 铀-238占99.27%,铀-234占0.0055%。还要把天然铀提纯,要让铀-235占3%左右,才能在反应堆中使用。

第二、三代反应堆中,铀-235产生中子,在中子的轰击下铀-238产生裂变能,与此同时,出现了一系列的放射元素的‘嬗变’:

铀-238+中子 → 铀-239 → 镎-239 → 钚-239。

在中子轰击下,钚-239和铀-234又可以产生裂变,放出热量。

根据这种反应过程,反应堆的‘燃料棒’一般由下面材料构成:少量的浓度为3%左右的铀-235,大量的铀-238,常常还掺进一些钚-239和铀-233。将这些材料烧结成“燃料元件”,每个燃料元件是直径1cm,高度1cm的圆柱体。

上百个燃料元件装在一根细长的锆合金材料套管内,构成一根燃料棒。

几十到几百根燃料棒组合使用,构成反应堆里面的燃料组件。

2.核乏力棒

核燃料元件中铀-235用完了,核燃料棒就变为“乏燃料棒”了。

“乏燃料棒”中基本上没有铀-235了(或许还有极少量的存在),但还有大量的没有烧完的铀238、钍232等;还有在辐射过程中衰变产生的元素钚239、铀233;还有嬗变出来的的镎、镅、锔等超铀元素和另外一些新的裂变元素。

常规核电站铀资源的利用率只能达到1.5%,若考虑各种损耗,则一般只能利用1%左右。一座100万KW的压水堆电站,每年卸出25吨“乏燃料棒”。

“乏燃料棒”中还有很多核素,常规的处理办法是设法从乏力棒中再提取出一些核素加以利用,这些工作很是复杂也很危险。剩下的‘核废料’是大量的,其放射性会存在大几百年。以前,核废料都是深埋,尽管会污染环境也没有办法,‘核废料的处理’是‘发展核能’中最头痛的事情。全世界的核能专家都在研究核废料再利用的办法,中国启明星号在这方面取得了突破。为此,全世界的核电专家都羡慕不已。

二.我国‘启明星号’突破‘核废料再利用’技术

核废料再利用的思路早有讨论,即用加速器产生的高能质子,轰击‘标靶’产生中子,这些中子再打到乏力棒上,乏力棒中的不少‘核素’就又可以裂变产生出核能了。

这个思想在实现中存在很多问题:

(1)采用什么类型的,多大功率的加速器。

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(2)采用什么靶子去产生中子。

(3)产生的中子类型和数目如何与乏力棒的元素成分最佳匹配。

(4)什么冷却剂才能获得最佳传热效果。

全世界研究了几十年,中国的‘启明星号’取得了突破。取名‘启明星’有照亮黎明,启迪希望之意。

2005年7月,我国建成启明星I号反应堆。此堆为‘脉冲中子源’和不同‘核素’使用的关系提供了实验数据。

2016年12月,我国建成启明星II号反应堆,进一步探索‘核废料’在中子轰击下的嬗变规律,可以将‘核废料’的利用率提高到95%。

2019年10月,我国建成启明星III号反应堆,其特点是,采用先进的铅铋合金冷却(该合金熔点是120℃,比开水高一点,沸点是1670℃),对堆芯和各类部件做了紧凑设计,研发了多种新型中子测量技术,实验了高功率到低功率(100瓦)的运行。该堆已经达到实用性要求。

‘启明星号’关于‘核废料再利用技术’领先世界,是全球‘扩大裂变核能利用’的里程碑,也是我国核能企业走向世界的名片。

三.总结

‘启明星号’关于‘核废料再利用技术’说得简单一点就是,使用粒子加速器让“乏燃料棒”或者‘核废料’再次产生剩余的‘核能’,这种反应堆在专业方面称为“次临界驱动堆”,这项技术具有如下优点:

(1)核素材料的利用率非常高。“乏燃料棒”中97%的核素可以得到充分

利用,燃料棒利用率相比以前提高了几十倍,现在一次投料,可以长期运行了。烧剩下的核废料很少,放射性也很小,处理核废料更容易了。

(2)安全性非常高。传统反应堆控制反应速度难,稍有不慎就会产生灾难;它还产生大量的‘核废料’,放射性很强,是对于环境的污染源。‘启明星号’所突破的“次临界驱动堆”就不一样了,只要把加速器断电,外部中子瞬间消失,反应立即停止,绝不会发生核灾难;而且“次临界驱动堆”最终产生‘弱放射性核废料’,衰减周期短,废料量也少。

(3)以前丢弃的核废料还可以再利用,减少核污染。

(4)“次临界驱动堆”的燃料来源极其丰富。因为借助于外援中子可以燃

烧铀-238或钍-232,对铀-235丰度就没有什么要求了,把铀矿简单处理就可以变成燃料了。

更有甚者,因为

钍-232+中子 →钍-233(β-衰变) →镤-233(β-衰变) →铀-233

其中的铀-233是一种易裂变物质。这就是说,用钍也可以做核燃料。钍所蕴含的可裂变能量很大,钍原料的放射性极弱,储量丰富。

(5)次临界驱动堆燃料加工成本可以大大地降低,发电成本更便宜。也就是说,将来的核裂变能还会得到进一步的发展。

(6)次临界驱动堆预期会有更多好处。例如,将来的核聚变中的“氚”可以由粒子加速器生产。大家知道,核聚变需要燃料氘和氚,氘可以从海水中提取,而自然界中的氚极其微量;用质子加速器轰击氢就可以生产出氚。

(7)“次临界驱动堆”的最终产物不会产生武器级的核材料了,这对于防止核扩散非常有利。

(8)‘启明星号’技术是核能利用方面划时代的技术,用该技术做成商用堆型可大可小。对于大型堆,我国已经决定在广东惠州建立兆瓦级的‘次临界驱动堆’;对于小型反应堆,用作机动发电,可用于航母、潜艇、舰艇、运输车船等。

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‘次临界驱动堆’示意图

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