“维纳斯”，“核废料处理”技术的突破

徐长发，华中科技大学，2021.12.25。

很多人认为“核能太不安全”，主要有以下三个原因：1）他们认为核裂变材料（铀235、钚239和铀233）储量太小且难以开采，以及提取过程会受到放射性伤害； 2）认为核事故太可怕； 3）认为核电站的“废物”，即“疲劳棒”的放射性已经存在了数百年或数千年，处理“疲劳棒”是危险的，会污染环境。 正因为如此，一些国家甚至提出“弃核”，不再使用核能。

核能科技工作者却不这么看。 他们认为：1）“核事故”是完全可以避免的，第三代裂变核电站已经非常安全； 2）过去，由于研究不够，处理“疲劳棒”很困难。 现在您可以使用加速器产生中子来轰击厌氧棒。 厌氧棒可以重复使用，最终形成的“核废物”很少，放射性很低； 3）钍现已可作为核能原料，且钍储量丰富。 而且几乎没有放射性。 使用钍原料的核电站，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。

本文介绍我国金星突破性的“核废料再利用”技术，解决了世界关注的核能问题。 这项技术是“裂变核能”发展的里程碑，也是我国核技术走向世界的一张名片。

一、核燃料棒和核疲劳棒

1、核燃料棒

自然界中铀有三种同位素：铀234、铀235和铀238； 它们都具有放射性，并且放射性持续数亿年； 其中，铀234和铀238不会发生核裂变，只有铀235原子能够发生核裂变。

自然界的铀矿石中，氧化铀含量很低，提取过程也很复杂。 铀提取物中，铀235占0.72%，铀238占99.27%，铀234占0.0055%。 天然铀也必须经过提纯，使铀235占3%左右，然后才能用于反应堆。

在第二代和第三代反应堆中，铀235产生中子，铀238在中子轰击下产生裂变能。 与此同时，放射性元素发生一系列“嬗变”：

铀238+中子→铀239→镎239→钚239。

在中子轰击下，钚239和铀234可以裂变并释放热量。

根据这种反应过程，反应堆的“燃料棒”一般由以下材料组成：少量浓度约为3%的铀235、大量的铀238，往往还含有一些钚239和铀233。 这些材料被烧结成“燃料元件”，每个燃料元件都是一个直径1厘米、高1厘米的圆柱体。

数百个燃料元件包含在细长的锆合金外壳中，形成燃料棒。

数十至数百根燃料棒组合使用，形成反应堆内部的燃料组件。

2.核疲劳棒

当核燃料元件中的铀235用完时，核燃料棒就变成了“乏燃料棒”。

“乏燃料棒”中基本不含铀235（或许还存在极少量），但仍有大量未燃烧的铀238、钍232等； 还有辐射过程中衰变产生的元素钚239、铀233； 以及镎、镅、锔等超铀元素，以及其他一些新的裂变元素。

常规核电站铀资源利用率只能达到1.5%。 如果考虑各种损耗，一般只能利用1%左右。 一座100万千瓦压水堆电站每年排放“乏燃料棒”25吨。

“乏燃料棒”中还残留有不少核素。 常规的处理方法是尝试从乏燃料棒中提取一些核素以供使用。 这些任务非常复杂且危险。 留下了大量的“核废料”，其放射性将持续数百年。 过去，核废料被深埋。 虽然会污染环境，但也没有什么办法。 核废料的处理是核能发展中最麻烦的事情。 世界各地的核能专家都在研究核废料再利用的方法，而中国的金星在这方面已经取得了突破。 为此，全世界核电专家都羡慕不已。

二.我国“金星之星”在“核废料再利用”技术上取得突破

核废料再利用的想法早已被讨论，即利用加速器产生的高能质子轰击“目标”产生中子。 然后这些中子撞击到衰弱棒上，衰弱棒中的许多“核素”可以再次使用。 裂变产生核能。

这个想法的实现过程中存在很多问题：

(1)使用什么类型的加速器以及加速器的功率有多大。

(2)用什么靶材来产生中子。

(3)如何使产生的中子类型和数量与厌氧棒的元素成分最佳匹配。

(4)什么冷却剂可以达到最佳的传热效果。

经过世界各国几十年的研究，中国的“金星”已经取得突破。 “晨星”这个名字的意思是照亮黎明、激发希望。

2005年7月，我国完成了金星一号反应堆的建设。 该反应堆提供了“脉冲中子源”与不同“核素”的使用之间关系的实验数据。

2016年12月，我国建成金星二号反应堆，进一步探索“核废料”在中子轰击下的嬗变规律，可将“核废料”利用率提高到95%。

2019年10月，我国建成了金星III号反应堆，其特点是采用先进的铅铋合金冷却（合金熔点为120℃，比沸水高一点，沸点为1670°C），这对反应堆堆芯和各种部件有效。 我们进行了紧凑的设计，开发了多种新的中子测量技术，并尝试了高功率到低功率（100瓦）的操作。 该堆已达到实用要求。

“金星之星”在“核废料再利用技术”方面领先世界，是世界“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一张名片。

三、总结

金星的“核废料再利用技术”简单来说就是利用粒子加速器从“乏燃料棒”或“核废料”中再生剩余的“核能”。 此类反应堆专业称为“亚临界驱动反应堆”，该技术具有以下优点：

(1)核素材料利用率很高。 “乏燃料棒”中97%的核素可完全回收

利用率方面，燃料棒的利用率比以前提高了几十倍。 现在喂一次奶就可以跑很长时间了。 燃烧后留下的核废料很少，放射性也很小，更容易处理核废料。

(2)安全性非常高。 传统反应堆的反应速度难以控制，稍有不慎就会酿成灾难； 它还产生大量的“核废料”，具有高放射性，是环境污染的一个来源。 被‘金星’突破的“亚临界驱动反应堆”则不同。 只要加速器断电，外部中子立即消失，反应立即停止。 永远不会发生核灾难； 而“亚临界驱动反应堆”最终会产生“弱放射性核废料”，衰变期短，废物量小。

（3）以前废弃的核废料可以重新利用，减少核污染。

（4）“亚临界驱动堆”的燃料来源极为丰富。因为借助外援，中子可以燃烧

燃烧铀238或钍232时，对铀235的丰度没有要求。 铀矿经过简单加工即可变成燃料。

更何况，因为

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

铀233是一种裂变物质。 这意味着钍也可以用作核燃料。 钍所含的裂变能很大，钍原料的放射性极弱，储量丰富。

(5)亚临界驱动堆的燃料处理成本可以大大降低，使得发电成本更加便宜。 也就是说，核裂变能源未来将会得到进一步的发展。

(6)亚临界驱动反应堆有望带来更多效益。 例如，未来核聚变中的氚可以由粒子加速器产生。 众所周知，核聚变需要燃料氘和氚。 氘可以从海水中提取，但氚在自然界中含量极少； 氚可以通过用质子加速器轰击氢来产生。

（7）“亚临界驱动堆”的最终产品不会产生武器级核材料，这对于防止核扩散非常有利。

（8）金星技术是核能利用领域划时代的技术。 使用该技术可以将商业反应器制成大型或小型。 对于大型反应堆，我国决定在广东惠州建设兆瓦级“亚临界驱动堆”； 对于小型反应堆，用于移动发电，可用于航空母舰、潜艇、船舶、运输车辆等。

“亚临界驱动反应堆”示意图