探索可持续核能
——解读中科院战略性先导科技专项“未来先进核裂变能”
文/陈钊
对于能源领域的科研人员来说，最大的梦想莫过于为人类找到一种可持续发展的能源。所谓可持续能源，是指即能满足当代人需求，又不损害后代，并且能够实现可持续供应的能源。针对这个目标，科研人员从多个领域进行了探索，如太阳能、风能、氢能等。在这些领域里，也包括了对可持续核能的探索。
核能要想成为一种可持续发展的能源，必须解决两大问题，分别是核燃料供应和核废料处理。核燃料供应属于前端问题，只有核燃料供应得到了保障，才有所谓的可持续发展。核废料处理属于后端问题，只有将核废料进行妥善处理，才能满足不损害后代的基本要求。针对这两个问题，核能领域的科研人员开展了大量的研究工作，如美国能源部发起的第四代反应堆研究计划、比尔·盖茨投资开发的行波堆等。作为目前世界上核能发展规模最大的国家，中国同样也在积极探索可持续核能。
2011年1月，中国科学院在“创新2020”新闻发布会上，正式宣布启动战略性先导科技专项“未来先进核裂变能”。该专项针对核燃料供应和核废料处理这两大问题，分别设立了“钍基熔盐堆核能系统(TMSR)”和“ADS嬗变系统”两大研究项目。现在，让我们一起来了解一下中科院的这两个研究项目是如何实现核能的可持续发展的。
裂变反应的基本原理
我们知道，原子核是由中子和质子组成的，其中质子带正电荷，中子不带电。一个处于稳定状态的原子核，里面有两种力在起作用，分别是库伦力和核力。库伦力是指带正电荷的质子之间相互排斥的力（同性相斥）；而核力是一种只有在原子核尺度内才有的力，这种力把原子核内部的质子和中子聚集起来，形成一个近似球形的稳定原子核。
图1 原子核受力示意图
当有外来的力打破原子核内部力的平衡时，原子核便可能分裂开来，这便是所谓的裂变反应。不同原子核发生裂变反应的容易程度是不一样的。大概可以这么认为，原子核内质子数目越多，库仑力越大，越容易发生裂变反应（专业表述为：裂变势垒越大，越容易裂变）。于是，人们就很自然地把目光落在自然界中质子数最大的元素——铀（质子数92）。同一种元素，由于原子核内部的中子数不一样，形成了不同的同位素，如92个质子加143个中子形成铀-235，92个质子加146个中子形成铀-238。
同一种元素的不同同位素，发生裂变反应的容易程度也有所区别。人们通过实验发现，在同一种元素的不同同位素里，原子质量为偶数的原子核比原子质量为奇数的原子核更容易发生裂变反应（专业表述为：偶数A的原子核的与外来中子的结合能比奇数A的原子核的结合能大，能够提供更多的激发能）。所以，铀-235吸收一个中子后变为铀-236，原子数目变为偶数，容易发生裂变；而铀-238吸收一个中子后变为铀-239，原子数目变为奇数，不容易发生裂变。
图2 裂变反应示意图
一个原子核能否发生裂变，除了与本身的特性有关，还与轰击它的外来中子的能量有关。中子的能量，能量大的中子称为快中子，能量小的中子称为热中子。越难发生裂变反应的原子核，就需要能量的越高的中子来轰击它，才有可能发生裂变反应。所以，同样是铀的同位素，铀-235属于比较容易发生裂变的核素，用热中子来轰击它就可以，而铀-238属于比较难发生裂变的核素，需要用快中子才有可能让它发生裂变。
当一个原子核发生了裂变反应，它可以释放巨大的能量。这种能量的来源，是裂变反应前后的质量亏损。根据爱因斯坦质能方程（E=mC2），物体的质量和能量之间的关系是产生的能量等于消失的质量剩于光速的平方。我们知道光速是一个非常大的数值，而光速的平方更是一个天文数字。所以，只要有一点点质量的消失，就可以产生巨大的能量。一千克铀-235发生裂变反应所产生的能量相当于270万千克标准煤产生的能量，两者相差270万倍。
图3 一千克铀-235发生裂变所具有的能量
如何让钍成为核燃料
理论上，只要能发生裂变反应的物质，都可以用作核燃料。但实际上，只有三种元素是比较容易发生裂变反应的，它们是铀-233，铀-235和钚-239，称为易裂变核素。在这三种易裂变核素里，只有铀-235是自然界中天然存在，所以我们现在的核电站才使用铀-235作为核燃料。铀-235在天然铀矿里的含量不到1%，其储量非常有限。按照国际原子能机构(IAEA)的估算，目前探明的铀-235资源只能供应人类使用80年左右。
由于铀-235的储量有限，研究人员把目光投向了另外两种易裂变核素，铀-233和钚-239。虽然这两种元素在自然界中不存在，但我们可以进行人工生产。
钍是自然界中和铀相似的另一种重核元素，它的原子核里含有90个质子和142个中子，质量数为232，称为钍-232。当我们用中子轰击钍-232时，它不会发生裂变，而是把这个中子“吃”进去，形成钍-233。钍-233不是稳定物质，它会逐渐衰变，最终成为铀-233（见钍-铀转换反应式）。根据这个原理，我们就可以通过钍-232来生产铀-233，而铀-233跟铀-235一样可以直接作为核电站的燃料使用。
钍-铀转换反应式
自然界中钍资源非常丰富，其储量大约是铀资源的3-4倍。这里的铀资源不仅指铀-235，还包含了目前还没能利用的占天然铀99%以上的铀-238。所以，如果能够按照上述方法，将钍-232转换成铀-233，那么核燃料的供应便不再是个问题了。
当然，这种核燃料的生产技术并不像我们写核反应式一样简单，而是需要解决大量的科学问题和工程技术问题。这些问题可以说每一项都是一个世界性难题。中科院设立的“钍基熔盐堆核能系统(TMSR)”项目，目的就在于集合一批科研力量来解决这一系列的世界性难题，从而为实现可持续核能扫除前端障碍。
核废料的嬗变处理
解决了前端问题，我们还需要妥善处理后端问题，才能实现核能的可持续发展。那么，核电站卸出来的核废料该如何处理呢？
所谓的核废料，指在核电站中燃烧过后卸出来的核燃料，一般称为乏燃料。在乏燃料中，含有多种物质，如表一所示。其中，铀是还没有燃烧完的核燃料，钚和次锕系元素（简称MA）是由于铀原子吸收中子但没有发生裂变反应而产生的新的物质，而裂变产物则是铀原子发生裂变反应后产生的物质，其中半衰期较长的称为长寿命裂变产物（简称LLFP）。乏燃料的潜在危害主要来自MA和LLFP，它们具有非常强的放射性，而且需要存放几万甚至几十万年，才能让其放射性水平降到天然铀矿的水平。
表一 乏燃料成分
对于乏燃料的处理，目前有两种不同的思路。一种方法是直接将乏燃料进行封装固化，然后深地填埋，称为“直接处置（Direct disposal）”。这种方法操作简单，便于防止核扩散，但由于需要在地质层中长期存放，其环境风险无法预期，同时还浪费了很多可利用的资源。另一种方法是将其中可以回收利用的元素如铀、钚等提取出来，进行再利用，剩下的MA和LLFP再固化封装，进行最终处理，称为“再处理（Reprocessing）”或“闭式循环”。这种方法可以回收可利用资源，提高资料利用率，还可以大幅减少需要最终处理的核废料的量。
无论是“直接处置”还是“再处理”，都需要一个妥善处理高放核废料（包括MA和LLFP）的最终方案。针对这个问题，人们从上个世纪50年代起就开始了相关研究。有人曾提出用火箭把高放废料送到太空中，或者把高放废物放置在南极或北极的冰盖上等，但这些方法技术可行性都不高，且无法确保绝对安全。
根据裂变反应的原理，人们提出了一种先进的核废料处理方法，称为嬗变处理。所谓嬗变处理，是指用中子轰击这些高放核废料，让它们发生裂变反应，变成寿命短、危害小的其他元素。但是，要想让这些高放核废料发生裂变反应并不是一件容易的事情，它们需要用能量极高的中子轰击，才有可能发生裂变反应。现有核电站（热中子反应堆）的中子能量约为0.025eV，而嬗变核废料的中子能量需要达到1MeV左右。现在，摆在我们面前的问题便是如何获得这些高能量的中子。(注：eV称为电子伏，是中子能量的单位，1MeV=106eV)
在核领域里，有一种装置叫质子加速器，顾名思义，它是用来加速质子速度的。通过这种装置，我们可以获得能量极高的质子。用这些质子轰击靶材料（一般选择铅或铅铋合金），即用质子将重金属的原子核打散，就可以获得能量很高的中子，这种反应成为散裂反应。通过实验得知，一个高能质子轰击靶材料，可以产生大约30个高能中子。用这些高能中子作为中子源，维持反应堆内的核燃料发生裂变反应，就可以持续不断地获得高能中子了。将高放核废料放入这些反应堆内，接受高能中子的轰击，就可以进行核废料的嬗变处理。
Carlo Rubbia CarloRubbia等人提出的ADS嬗变系统示意图
上述描述的核废料嬗变处理装置称为加速器驱动次临界嬗变系统（ADS嬗变系统）。它是在上世纪90年代，由诺贝尔物理学奖得主Carlo Rubbia为首的欧洲核物理学家提出的。这种方法并不能将核废料完全消除，但可以将核废料的寿命从几万年降低到几百年，并且可以显著降低核废料的放射性毒性和减少需要最终存储的量，这就可以极大地降低核废料对环境的危害程度。目前，ADS嬗变被认为是最为理想的核废料处理方案。
要实现核废料的ADS嬗变处理，需要建造一台能量和稳定性都很高的质子加速器，还要掌握可靠的散裂靶技术和先进反应堆技术（如铅铋反应堆），其技术难度可想而知。目前，世界上还没有成功建造ADS的经验。中科院设立的“ADS嬗变系统”，目标就是要攻克这一系列的难题，建成一座ADS嬗变系统。如果中科院的计划能够顺利推进，我国将极有可能成为世界上第一个建成ADS嬗变系统的国家。
发展先进核能，造福人类社会，是一代又一代核能科技工作者共同的心愿。路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。相信在未来可持续核能的探索道路上，会有越来越多中国科技人员重要的身影。
2014年4月06日星期天
于德国，卡尔斯鲁厄，KIT
作者简介：
陈钊（1987-），男，广东潮州人，中国科学技术大学核科学技术学院博士生，德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）核能技术研究所国家公派联合培养博士生，从事先进核能系统的设计与安全分析研究。
科学网博客：http://blog.sciencenet.cn/u/Jacking
E-MAIL: zchen214@mail.ustc.edu.cn
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