何祚庥:我国已成快堆技术世界第八说法属“大吹大擂”

2011-2-18 09:15 来源: 科学时报
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  我国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”。

  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个发达国家已实现快中子堆核电站持续安全运转供电。

  当代核电站发展的动向是,对运转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。

中国科学院理论物理研究所 何祚庥

  2011年1月4日,国内各大报刊、各大网站纷纷突出报道了《中国铀利用率提升60倍,50年资源变成可用3000年》。报道认为,“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”。报道还引用了中核集团有关负责人的讲话:“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。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10亿~15亿千瓦之多,而煤最多也只够支撑100年!现在看到各大报刊、网站的报道,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可以松一口气了?”

  但是,国外的反映却和我国媒体的报道大不相同。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”,还是确实是国内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道了《华尔街日报》1月5日的报道,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作一个“负责任”的回答。

  下面将分四个问题,对上述问题作一些分析和讨论。

中核四○四乏燃料中试工程究竟取得了哪些实质性成就

  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○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,这里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。”

  虽然孙勤表示,掌握技术要靠我国自己的力量,但据媒体报道说:“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。”

  从这一系列报道可以看出,1.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”。2.要到“十二五”末,也就是5年后,“将能实现80~100吨的生产能力”。3.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。一个合理的猜测,至少是5年以后。4.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7000万~8000万千瓦。如以80吨×25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,约为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”。

我国是否属已掌握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,这一报道大错特错,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。

  1.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%=3.2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。

  2.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26亿元人民币,其预期的发电功率是25兆瓦。2010年7月23日有报道说:“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的研发方向,是用快中子堆发电,作为核潜艇的动力。

  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。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?

  3.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。

  4.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,和今后将要走的很长的路程相比较,就只能说,仅仅是“万里长征的第一步”。

  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。赵仁凯甚而建议这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10亿~15亿千瓦的装机,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,但绝不是“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铀235,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道中,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,已由于过去的仅烧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!

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”的报道,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。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”。

  在上世纪60年代,我曾有机会参加原子弹、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,前辈核科学家均给出了肯定的回答。对于是否发公报,毛主席仍主张慎重,看一看国外的反应再说。由于外电纷纷大量报道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他例子。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。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。