周培德:该如何评价我国快堆技术研发取得的成绩

2011-3-02 08:57 来源: 科学时报
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——与何祚庥先生商榷

  □ 中国原子能科学研究院快堆研究中心 周培德

  何祚庥先生2011年2月18日在《科学时报》发表了《我国是否已成快堆技术世界第八?铀储量是否可用三千年?》一文(以下简称何文)。

  何文首先对2011年1月4日国内各大报刊、各大网站纷纷报道的关于我国后处理中试厂调试成功的新闻报道《我国核研究取得重大突破,核电站铀资源将提升60倍》提出批评,同时又把已经过去半年之久的有关中国实验快堆在2010年7月实现首次临界的有关报道扯了进来,批判的锋芒直指快堆。我和同事们读后感到非常震惊!

  笔者作为从事快堆研究和设计工作近20年的科技工作者,受同事们的委托,颇有些感想不得不发。

  科技界的学术浮躁和浮夸一直为广大科技工作者深恶痛绝,何文以此为批评对象,无疑占据了道德制高点,但拿快堆来举例的确很不妥。

  作为我国第一个快中子反应堆,作为列入国家中长期科技发展规划(2006-2020年)的前沿技术,作为国家“863”高技术发展计划的重大项目,中国实验快堆的首次临界和基本建成,对我国“压水堆—快堆—聚变堆”核能“三步走”发展战略实施和核科技创新具有重要意义!

  这一重大成就已被评选为2010年我国核能行业、国防科技工业、科技界等“十大新闻”,也是全国557名院士投票评选的“2010年国内科技十大进展”。

  但让人十分遗憾的是,何文除了“大忽悠”、“相当地大吹大擂”、“这一报道大错特错,离事实真相太远、太远!”、“连世界上快中子增殖堆发电技术的现状,都没有说清楚”、“骗取科研经费、表扬、奖励,包括升职等等的好处”等吓人的帽子以外,我们没有看到任何有说服力的分析和论述,很多描述已偏离了客观事实。从学术上看,何文中也存在许多常识性的数据错误和概念错误,逻辑也有点混乱……这些很容易误导公众。

  现就何文中有关快堆的部分内容与何先生商榷。

  髴何文认为:“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%的浓缩铀,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%=3.2吨。所以其核燃料的投入,一般约是压水堆的10~20倍。”

  事实上,一个百万千瓦级快堆电站的初装料约需要4.2吨工业钚,换算成MOX燃料约25吨。不同的反应堆堆芯设计其初装料量略有差别。俄罗斯80万千瓦快堆电站(BN-800)的初装料中工业钚的量约为2.71吨,法国120万千瓦“超凤凰”快堆的初装料中工业钚的量约为5.78吨。这些数据在国际原子能机构的技术文件(Fast Reactor Database 2005)中都能找到。一座百万千瓦级压水堆初装料量(UO2)约75吨,其中铀235约3吨多。“10~20倍”的数据不知是怎么算出来的。

  髵何文认为:“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!”

  何先生“曾有机会参加原子弹、氢弹的研究和开发”,应该很清楚原子弹与反应堆在设计原理、控制方式上完全不同。反应堆包括快中子堆,不是核爆炸装置,无论发生何种严重的事故,反应堆都不可能发生核爆炸。这一点在反应堆几十年的安全研究中已经获得充分的理论和实验支持。动辄用核爆炸来等同于假想的反应堆事故,把反应堆与核爆炸联系在一起,容易误导公众。

  髶何文认为:“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。”

  反应堆的控制不取决于中子的飞行速度而取决于缓发中子的份额,这在1940年就已经被预见到;经过长时间的理论和实践的检验,这已经成为反应堆控制和反应堆动力学的常识性基本概念之一。

  黄祖洽先生著的《核反应堆动力学基础》(原子能出版社,1983)教课书中第4页写道:“所有类型的裂变链式反应堆共同具有的、反应堆动力学的基本概念是反应性、中子一代时间及缓发中子。”黄先生书中第5页和第25页写道:“缓发中子虽然在裂变产生的中子中占不到百分之一的分数,但在决定反应堆动力学的时间尺度(因而在反应堆的控制)方面却极为重要。”

  如果没有缓发中子,无论是快堆还是压水堆都是不可控的。快堆的缓发中子份额比热堆稍小一点,这点小差别对反应堆的控制无本质影响。采用“中子飞行速度”作为反应堆控制或反应堆动力学的这些概念,不知依据在哪里。

  髷何文指责从事快堆工作的同志“连世界上快中子增殖堆发电技术的现状,都没有说清楚”,并且断言:“据我们所知,世界上至今还没有任何一个发达国家已实现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研发方向,是用快中子堆发电,作为核潜艇的动力。”

  实际情况是,俄罗斯60万千瓦的快堆电站(BN-600)自1980年投入运行以来一直在运行,至今已运行30年,平均负荷因子高于75%。法国25万千瓦快堆电站(凤凰堆)自1973年建成以来一直运行,直到前年因达到寿期关闭。国外确实有几个国家(美国、德国、英国、意大利等)停止过一段时间的快堆研发。但在新世纪陆续又开始了。美国、法国、俄罗斯、日本、印度、韩国等都有研发和建设快堆的计划,这些信息在媒体上是能找到的。苏联曾经研制出用铅铋做冷却剂的快堆,确实是用于核潜艇,而且建了十来艘,后来因多种原因都废弃了。俄罗斯现在确实有研究单位还在研究铅铋做冷却剂的快堆,提出了几个设计概念,说其用途既可以作为核电站,也可以作为核电源。俄罗斯主要发展的钠冷快堆(已建成的BN-350、BN-600原型快堆电站),以及正在建设的BN-800快堆电站都是为了验证用快堆发电的安全性、可靠性、经济性等,最终是为了建设商用快堆核电站。何先生提出俄罗斯快堆应用方面主导的研发方向是作为核潜艇的动力判断,主要依据是什么?

  髸何文认为:“至于电价,目前的中国实验快堆,每千瓦投资约是10万元人民币,比火力发电8000元/千瓦造价约高了10倍。其冷却、传热系统用的是液体金属钠循环,其投资比高压水冷却的投资要大一些。”

  这是一个常识性问题,世界上没有谁用核电站的一个实验装置来评估或测算核电站的比投资的。中国实验快堆是我国快堆工程技术研发的第一步,其立项的目标就是“建立装置,掌握技术,培养人才,开展实验”。发电是为了验证其功能,并不追求其经济性。中国实验快堆总投资25亿元,不仅仅包括工程设计和建设费用,还包括从“七五”以来的科研和实验验证费用。用中国实验快堆的所谓投资数据与成熟的火力发电来比,肯定是不合适的。

  髺何文认为:“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。”

  按文献,一般采用低浓铀燃料的压水堆的转换比为0.59。如果将压水堆产生的工业钚分离出来,再做成燃料装堆继续使用,如此无限重复,则对铀资源的利用率为:

  其中,0.714%是天然铀中铀235的含量。

  如考虑燃料循环流程环节中的损耗等,即使多次循环,压水堆对铀资源的利用率只有1%左右(见Status of Liquid Metal Cooled Fast Breeder Reactors TRS NO.246 P.2)。快堆及其燃料循环系统对铀资源的利用率一般认为可达到60%,一比就可以得出60倍的说法。何文中提到铀资源利用率“压水堆可提升到3%~4%”是从哪个国际文献上找到的数据?另外,采用“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。”不知道想说明的是什么问题。

  髼何文认为:“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!”

  何先生文中断言“煤最多也只够支撑100年!”我们理解这和“可开发的水电资源,如能开发出来,完全能持续利用几千年!”的叙述一样,都是有前提条件的,但何文的论述存在着逻辑上的混乱也是明显的事实。

  不同类型的能源都要为国家社会、经济的发展作贡献,不存在谁取代谁的问题,关键是优化结构,可持续发展。不知何文“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”的结论是如何得出的,文中找不到相应的数据和边界条件可以推算出,但这与我们了解到的由众多能源领域专家完成的中国工程院咨询报告的预测大相径庭。

  何文说:“我国不仅不是‘世界上第八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。”

  国际上快堆工程技术的发展一般要经过实验堆—原型堆—示范堆等阶段,建成实验堆是一个国家拥有快堆技术的重要标志。我国实验快堆于2010年7月首次临界,标志着该工程项目基本建成。我国是继美、俄(苏)、法、英、日本、印度、德国等7个国家后第8个建成快堆的国家,这是无可争辩的事实。

  中国实验快堆是我国第一座快中子实验堆,可以进行快堆发电试验,是快堆电站的一个原型。中国实验快堆是在“七五”、“八五”、“九五”自主研发并突破关键技术的基础上自主设计和建造的,并与俄罗斯、法国等进行了合作。与俄罗斯合作包括由俄罗斯进行技术咨询、完成部分系统技术设计、使用俄罗斯的实验台架完成部分设计实验验证以及从俄罗斯采购部分关键设备。综上,我国自主建设实验快堆的说法并不为过。

  何先生否认我国是“世界上第八个拥有快堆技术的国家”的主要理由,从逻辑上看是混淆了“反应堆的技术”和“商用核电站技术”,是混淆了“快堆技术”这一单项技术和“闭式核燃料循环技术”这一更大范围技术上的差别,后者包括快堆技术、后处理技术、MOX核燃料元件技术等。

  何文以轻蔑的态度对待我国几代科技工作者经过几十年艰苦努力在快堆技术领域取得的成就,的确使我和同事们都感到无法理解和接受。

  髽何文说:“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’。”

  从我国核能三步走战略(热堆—快堆—聚变堆)的科研投入上来看,战略第一步的压水堆的研发经费会超过百亿元;战略第三步聚变堆(主要是参加ITER项目的经费)的研发经费也要近百亿元;而作为承上启下的快堆的研发投入截至目前还不超过27亿元,其中绝大部分是实验快堆工程的建设投资。我国快堆技术研发是从上世纪60年代中期就开始了,至今有40多年了,那么多年也就一亿多的基础研究和工程技术研究投入。不知“骗取”经费的帽子是如何扣上来的?几代人埋头苦干了几十年,好不容易取得了快堆工程技术发展的重要成就,上了回电视和报纸,怎么就成了热衷于上报成绩、热衷于向社会公众宣传夸大成绩呢?

  笔者十分景仰核科技领域老一辈科学家,他们渊博的学识、严谨的学风和献身祖国核科技事业的精神无不感染着后来人。笔者今天对何先生本人仍然保持着尊敬,上面的文字如有得罪之处,恳望何先生海涵。