荷钱茶怎样喝最减肥:何祚庥:我国是否已成为世界上第8个拥有快堆技术国家? ...

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何祚庥:我国是否已成为世界上第8个拥有快堆技术国家? [原创 2011-02-25 11:52:19]    字号:大 中 小 我国是否已成为世界上第8个拥有快堆技术国家?

我国现已探明铀储量,是否够用上3000年?

中国科学院理论物理研究所    何祚庥

2011年1月4日,在国内各大报刊,各大网站纷纷突出地报导了《中国铀利用率提升60倍,50年资源变成可用3000年》。报导认为,“我国科学家在核电技术方面取得重大技术突破,实现了核动力堆中燃烧后的核燃料的铀、钚材料回收。这项技术的专业名称叫‘动力堆乏燃料后处理技术’,由此,……我国现已探明铀储量够用上3000年”。报导还引用了中核集团有关负责人的谈话:“这是我国核电领域的重大自主创新成果,意味着我国第四代先进核能系统技术实现了重大突破。由此,我国成为继美、英、法等国之后,世界上第八个拥有快堆技术的国家”。

有不少朋友,包括我的“院士”朋友,打电话向“我们”祝贺。认为这是核科学的一大成就,为中国的能源,为中国的节能减排解决了大问题。也还有一些用化石为能源从事火力发电的“院士”打电话问我,“我国火力发电面临非常紧迫的形势,石油可能在20~30年内枯竭,中国未来的电力,可能年需求达10~15亿千瓦之多,而煤最多也只够支撑100年!现在看到各大报刊、网站的报导,由于‘动力堆乏燃料后处理技术’的出现,……‘我国现已探明铀储量够用上3000年’,这比我们的石油、煤的资源大多了!是不是我们这些搞火力发电的人们可以松一口气了?”

但是,国外的反映却和我国媒体的报导大不相同。2011年1月5日,美国《华尔街日报》的评论说,“那是相当地大吹大擂!”

这是怎么一回事?是美国《华尔街日报》习惯性地继承了他的“贬低”中国的“传统”,还是确是媒体或中核集团在那里“相当地大吹大擂”。

问题太尖锐了!虽然有少数媒体也报导了《华尔街日报》1月5日报导,但总的来说,大多持谨慎态度。——有不少朋友希望我这位已是过时的核物理学家做一个“负责任”的回答。下面将分四个问题,对上述问题做一些分析和讨论。

(一)中核四0四乏燃料中试工程工程究竟取得了那些实质性的成就

2010年12月21日,中核集团宣布“我国首座动力堆乏燃料后处理中间试验工程——中核四0四中试工程热调试取得圆满成功。这意味着我国成为世界上少数掌握乏燃料后处理技术的国家之一,将有力地推动我国核燃料和核电事业安全,高效发展。”          很遗憾,未说明这是什么样规模的“中试”。但是,据一些后续报道说,“中试厂在完成浓度为100%的乏燃料热试工作后,将进行一系列整改,以保证系统稳定运行。”“按照计划,未来中试厂将完成50吨乏燃料的处理任务。”“如果一切正常,该中试厂将进行扩建,年处理能力将提高到80吨。”负责人王俊峰表示,“‘十二五’末,中试厂将实现80—100吨的生产能力。”中核集团总经理孙勤表示,“中试厂热试成功之后,中核集团将立即筹划年处理能力200吨的项目,800吨的项目也要加快推进。”他同时表示,“对于200吨/年的后处理厂项目,中核集团已经牵头成立了大厂筹备处,积极推进项目建设。”

虽然总经理孙勤表示,掌握技术要靠我国自己的力量,但据媒体报导说,“中核集团仍在与法国商谈引进乏燃料后处理大厂的相关事宜。业内人士表示,目前业界尚未在这一问题上达成共识。始终有不同的观点。”该人士称,“有的认为不全盘进口也可以,有的人急着进口。”

从这一系列报导,可以看出,i)这只是规模很小的中试,比50吨小很多,而且还需‘进行一系列整改’;ii)要到“十二五”末,也就是5年后,‘将能实现80~100吨的生产能力’;iii)正在筹划年处理200吨能力的项目,但没有说明希望什么时候能实现年处理200吨的项目,一个合理的猜测,至少是5年以后。vi)中核集团仍在与法国商谈引进乏燃料后处理大厂的相关事宜,也就是对自己发展的技术,能否廉价地大规模生产(注:关键是廉价),并没有足够的把握。

但更重要的是“需求”。究竟我国需要“多大”的年处理乏燃料的能力。一般来说,建造一座100万千瓦的核电站,其初期投料约是70吨含4.5%的铀235的浓缩铀,年卸出的乏燃料量约是25吨。也就是说,一座标准核电站需要年处理的乏燃料,大约是25吨。中国发展的未来,正在讨论中的规划,希望在2020~2025年前,核电增长到7000~8000万千瓦。如以80×125吨来计算,需要年处理的乏燃料,高达2000吨之多!这一数字较之2015年可以有年处理100吨能力的数字,约大了20倍!我国能否在未来的10~15年间,将处理能力由目前仅做了5吨的试验,扩大400倍?实在是任重道远!

无怪乎国外媒体说,“事实上,中国核工业集团公司在其网站上发布的一份所署日期为12月22日的简短中文声明中表明,核废料后处理之说只是基于一项试验、一个非常小的试点项目之上。”

(二)我国是否属已掌握了快中子增殖核电站技术的国家?

有不少媒体说,由于“动力堆乏燃料后处理技术”取得重大技术突破,“由此,我国成为世界上第八个拥有快堆技术的国家”。很遗憾,这一报导大错特错,离事实真相太远、太远!!!

一个完整的快中子堆核电站的持续运转,通常需要有如下支撑技术和先决条件:

i)比较强大的核燃料工业。快中子堆所必须解决的重大问题之一,是必须有充足的核燃料,主要是钚239,240,……的持续供应。其一次投入的所需核燃料总量达几十吨之多,其中包括浓度为 20%浓缩铀,或钚239—242,主要是钚239,此外还有大量在快堆里可燃烧的铀238,而在压水堆中,可燃烧的核燃料,约是70×4.5%=3.4吨。所以其核燃料的投入,一般约是压水堆的10~20倍,而且最好做成标准的MOX燃料,因为这是当前可在压水堆,也可在快中子堆中燃烧的已知技术成熟的核燃料。据报道,中核集团后处理中试工程负责人王俊峰说,“我们最后一次(试验),制备出了合格的铀产品和钚产品,所以说我们成功了。”这当然是一项重大成就。我们完全应向工程负责人和参与此工作的科研工作者表示祝贺。但据我们所知,“制备出合格的铀新产品和钚产品”,并不等同于已能制备出MOX燃料。快中子堆的重大技术关键之一,是必须制出合格而廉价的MOX燃料,尤其是廉价。

ii)必须建立一整套从建造到连续可靠安全运转,并能持续而廉价的供电技术。目前我国原子能研究院正在研发一个小型实验型快中子堆,已投入26亿人民币,其预期的发电功率是25兆瓦。2010年7月23日有报导说,“中国核工业集团宣布,中国原子能科学研究院自主研发的中国第一座快中子反应堆——中国实验快堆(CEFR)达到首次临界。”这无疑是一个好消息!但接下来却又说,“这意味着我国第四代先进核能系统技术实现重大突破,我国成为世界上少数几个掌握快堆技术的‘国家之一’。”

但是,从我们来看,“首次”达到临界,只是达到持续供电的第一个开端。快中子堆必须解决的重大技术问题,是安全问题。必须百分之百地确保它的可靠,尤其是可控的安全持续运转。而一旦发生临界事故,那就是不得了的大事故,是一次小型的核爆炸!快中子堆中的快中子飞行速度极快,是通常压水堆热中子速度的1500 倍。如果说热中子堆的运转,要求做到毫秒级的精确控制,快中子堆就要做到微秒级的控制。据我们所知,世界上至今还没有任何一发达国家,已实现了快中子堆核电站持续安全运转供电。有些国家曾研发了一段时期,大多已停止研发。只有俄罗斯仍在坚持不懈地努力,也有个别试验性电站在那里运行。俄罗斯在快中子堆应用方面的主导的研发方向,是用快中子堆发电,做为核潜艇的动力。

至于电价,目前的中国实验快堆,每千瓦投资约是10 万人民币/千瓦,比火力发电8000元/千瓦造价约大了10倍。其冷却、传热系统用的是液体金属钠循环,其投资总比高压水冷却的投资要大一些。为达到高效发电,当然也少不了能支撑高压水蒸汽的大容器。当前,第三代压水堆型核电站的投资约是18000元/千瓦。加上移民,至少上升到20000元/千瓦。当代核电站发展的动向是,对运转的安全的要求,将越来越高,而且不惜加大投入确保运转的安全。一个严峻的问题是,中国的快中子堆核电站技术,何年何月,其电价才能降到和第三代核电站相接近的水平?

iii)必须有快中子堆乏燃料快速的后处理技术,还要有相应强大的能处理快中子堆乏燃料,不断提取钚239、240……的工业。快中子核电站的重要特点,是在消耗核燃料发电的同时,不断新产生的核燃料,其增殖系数通常是1.6,即烧掉1个钚原子,会增加1.6个钚原子。但是,这一新增加的0.6个钚原子,必须不断地从快中子堆中取出来,才能做到快中子堆核电站的持续、高速发展。所以,一个完整的快中子堆核电站核发电技术,必须包括快中子堆乏燃料后处理技术,而且要有适用于快中子堆的MOX燃料的工业化生产的技术。现在部署的乏燃料后处理的生产线,仅能适用于压水堆,并不能直接搬到快中子堆乏燃料的后处理。问题是,压水堆乏燃料后处理技术,并不等同于快中子堆乏燃料后处理技术。两者衰变产物并不等同,其放射性强度以及相对比例也不相同。

iv)从第三代核电站技术到第四代核电站,无疑是技术上的大跨越。但也要指出,这一“第四代核电站”技术,离真正可持续、可迅速增殖、发展的快中子堆发电技术,尚有一大段距离。现在试验运行中的钠冷却的快中子堆的钚239、240,……的增殖系数仅有1.2。也就是每烧掉1个钚原子,仅增加0.2个钚原子。所以,如果以这一“钠冷却的快中子堆首次达到临界”和“压水堆的乏燃料后处理试验获得成功”,这两项技术“成就”,和今后将要走的长长的路程相比较,就只能说,仅仅是“万里长征的第一步”。

(三)掌握了乏燃料后处理和快中子增殖堆发电技术,是否使我国十分短缺的天然铀资源,从50年延伸到3000年?

首先需要解释,为什么我国天然铀只能“支持”正在建设中的“第二代”、“第三代”核电站50年?这一结论,当然源自能源专家的估算:“目前已探明世界上(经济上)有开采价值的铀为500 万吨,而一座1000兆瓦(100万千瓦)的核电站,要消耗的铀为:初装量365吨+年补充量174吨(运行30年约需天然铀5500吨)。能源专家按年增长率2.5%(1989~1990的低潮增长率)估算,现有储量只能维持到2035年左右。”2035年-1990年=45年。当然,这只是1990年的估算。现在发展的形势,包括储量和增长速度都超过了1990年的预计。已去世的核动力专家赵仁凯院士曾在生前给出一个估算,说我国天然铀资源最多仅能维持60座标准核电站,(包括可能进口的天然铀),持续运行40年。赵仁凯院士甚而建议这一60座标准核电站,是我国核电站发展的上限。现在由于人们公认核电站已可能从40年的全寿期,延长到50~60年。而且天然铀可能扩大进口,也可能由于开采、提炼技术的改进,再加上我国还有某些可开发的属于贫矿的天然铀资源,有可能支持60座标准核电站,持续运转50年。既然天然铀资源利用率,可扩大60倍,所以,可支持的年限也就延长到50×60=3000年。这里要请人们高度注意:核科学家说的是,如果只建造装机为0.5亿千瓦的核电站,我国天然铀资源可支撑到3000年。但如果我国电力工业需要10~15亿千瓦的装机,那就只能支撑100~150年了。可以期望这一支撑,可大幅度减少煤的污染和CO2的排放,可以和中国的“煤”并驾齐驱,但决不是“搞火力发电的人们可以松一口气。”因为这仅是“半壁江山”。

更重要的是,上述资源利用率可提高60倍的估算,只是1990年的估算,现在已不再准确。原因是,由于核发电技术的不断改进,设计的不断更新,已大幅度提高了压水堆或热中子堆类型核电站的资源利用率。

下面首先介绍一下,所谓快中子增殖堆可将资源利用率扩大60倍的说法,是怎样算出来的。我国核燃料专家王方定院士,曾在一篇介绍乏燃料处理的长文中,给出如下估算:

“目前核能主要是利用U235,但它只占天然铀中的0.7%,即使考虑到压水堆的转化比为0.6,天然铀利用率也只有0.7%+0.7%×0.6=1.1%。”

我国学者连培生在《原子能工业》(2002 年版,连培生著)书中(第70页,表2-17)有如下表述:对于目前的压水堆,铀资源的利用率分别为:如果是一次通过(即乏燃料不后处理,直接处理)则铀资源利用率只有0.58%;如果进行后处理,只复用铀,则铀资源利用率为0.75%;如果后处理后铀和钚复用,则铀资源利用率为0.98%,近似为1%。

由于快中子增殖堆,一般可能进一步再烧掉,慢中子堆燃烧后剩余的铀238的60%,所以有60倍的增益。

但是,新型压水堆的设计和改进,除不断提高其安全运转性能外,当然也要不断提高热中子反应堆的资源利用率。如果说,老式的压水堆加上后处理,…… 只能烧掉1.0%的天然铀,新型压水堆已能烧掉3%~4%天然铀。原因是,新型压水堆的设计,已大大加大了,装料中铀的浓缩度。在老式的压水堆设计中,真正能烧掉的核燃料也就是仅约0.5%左右的铀235,加上少量的钚239,这就是连培生教授指出的“铀资源利用率只有0.58%”。但由于新型压水堆中铀 235浓缩度的提高,在新型压水堆中燃烧掉的核燃料,将不仅是铀235,还有新产生的和再循环中的钚239,也有可能调节热中子堆里中子的谱形,适当增大钚的再生的转化比。而可期望不使用后处理技术,即能在慢中子堆中再烧掉1~2代的新生的钚239,——也就等价于在慢中子的压水堆中,还能多烧掉部分的铀 238。如果再加上后处理的铀和所提取的钚的再利用,就完全可能在压水堆中,将铀的资源利用率提高到3%~4%。所以在国内的新闻报导中,纷纷说,“在当今世界的核电技术下,核燃料燃烧了3%~4%左右”。也就是从过去仅燃烧的1%,上升了3~4倍。过去我们一直认为“已探明”的铀资源仅能支撑25座标准核电站,运行30年。现在由于所掌握的资源量的增大,有望扩展到支撑80座标准核电站持续运转60年。其实这里正需加上另一重要因素,即在慢中子堆中的核燃料的燃烧,已由于去的仅烧1%,上升到可燃烧3%~4%。

但是,过去人们之所以认为快中子增殖堆能提高60 倍的资源利用率,其前提是已认定压水堆的资源利用率仅有1%;而如果压水堆可提升到3%~4%,那么快中子堆的资源利用率就仅能再提高 60÷3~4=15~20倍。或者仅能支撑功率为7.5亿~10亿千瓦的核电站持续运转50年!这比“煤”贡献小多了,只能作为煤发电的重要补充,不可能取代煤。更赶不上水电。中国有5.4亿千瓦技术可开发的水电资源,如能开发出来,完全能持续利用几千年!

(四)我国“快中子堆已首次达到临界”的突破和已实现“核动力乏燃料后处理技术”的宣传、报导,是否涉嫌“相当地大吹大擂”?

回答是:不仅仅是“相当地大吹大擂”,而且连世界上快中子堆增殖堆发电技术的现状,都没有说清楚。我国不仅不是“世界上第8个拥有快堆技术的国家”,而且世界上至今只有俄罗斯才是接近拥有完整的快堆技术的国家。据报道,俄罗斯现在仅能年生产5吨的MOX燃料。显然不足以大量供应快中子堆的迅速发展。

为什么我国有关快中堆发电技术的报道,竟出现了如此巨大的偏差?这就不得不归之于我国科技界,包括中核集团在内的科技界,正迅速蔓延着一股“浮夸不实”的学风。他们热衷于“上报”夸大的成绩,也热衷于向社会公众“宣扬”夸大的成绩;以此来换取“领导”和“社会公众”的“支持”,以此来“骗取”科研经费、表扬、奖励,包括升职等等的“好处”。这是我国科技发展的一大“公害”。如果说科技界及其领导机关有什么“学术腐败”的话,这将是影响我国科学技术迅速蓬勃发展的最大、最突出的“公害”。

在上一世纪60 年代,曾有幸有机会参加原子弹、氢弹的研究和开发,有幸听到下列一则故事。1964年10月16日,我国爆炸了第一颗原子弹。试验成功后,主持研发工作的领导同志,向毛主席、周总理汇报试验成功,并询问要不要发公报。毛主席问:“你们会不会只爆炸了一堆化学爆炸物,哄我说,原子弹已爆炸成功?”这一提问太尖锐了。在座参与汇报的领导同志都不敢贸然回答,当即打电话向我们的老师们核实有关情况。当然,前辈核科学家均给了肯定的回答。对于是否发公报,毛主席仍主张慎重,看一看国外的反映再说。由于外电纷纷大量报导了中国爆炸第一颗原子弹,毛主席才最后拍板决定发布原子弹已爆炸成功的公报。我还能举出毛主席、周总理在听到我国科技工作已取得重大成就的汇报,总是采取慎重态度的其它例子。可是,现在出现的新动向,喜欢的是“大忽悠”,而且是“上下交相忽悠”!

然而我们也要为中核总公司孙勤总经理说几句公道话。我看到一个内部材料,在2010 年12月21日中核集团的现场发布会上,孙勤总经理再三强调,“中试工程热试验成功,只是万里长征第一步”。可见,中核集团领导层中,也不乏头脑清醒人士。但仍然是,“万里长征第一步”。虽然已是迈出了十分重要的“第一步”,但不能说成已走完了“万里长征”中的80%!不知道为什么,未见中核集团的领导层,正面出面澄清上述“大吹大擂”!而重要的是,这一“大吹大擂”,已“忽悠”到决策层。

感谢原子能研究院许多同行们对原撰写稿提出的有益建议和批评。此稿已采纳不少批评性意见,并对原稿表述不够充分的地方,做了若干补充。

五柳村2011年2月25日收到

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