科普百篇系列（130）

‘启明星号’，突破“核废料处理”技术

徐长发，华中科技大学，2021.12.25.

不少人认为“核能太不安全了”，原因主要是3方面的：1）认为核裂变的材料（铀-235，钚-239和铀-233）储量太少，提取困难，提取过程就会受到放射性的伤害；2）认为核事故太可怕了；3）认为核电站的‘废料’即‘乏力棒’的放射性存在几百年上千年，处理乏力棒既危险又污染环境。正由于此，有些国家甚至提出“弃核”，不再使用核能。

核能科技工作者可不这么看，他们认为：1）‘核事故’是完全可以避免的，第三代裂变核电站就已经很安全了；2）以前由于研究不够深入，‘乏力棒’才处理困难，现在可以‘用加速器产生中子’去‘轰击乏力棒’，乏力棒可以再利用，最终形成的‘核废料’极少，放射性很低；3）现在可以用钍做核能原料，钍的储量丰富且几乎没有放射性，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。

本文介绍我国启明星号突破‘核废料再利用’技术，该技术解决了世界关注的核能难题。该技术是‘裂变核能’大发展的里程碑，也是我国核技术走向世界的名片。

一．核燃料棒和核乏力棒

1.核燃料棒

自然界中的铀有3种同位素，铀-234、铀-235和铀-238；它们都有放射性，放射性延续数亿年；其中的铀-234和铀-238不会发生核裂变，只有铀-235的原子能够发生核裂变。

自然界中的铀矿中，铀的氧化物含量是很低的，提取过程非常复杂。在铀的提取物中，铀-235占0.72%， 铀-238占99.27%，铀-234占0.0055%。还要把天然铀提纯，要让铀-235占3%左右，才能在反应堆中使用。

第二、三代反应堆中，铀-235产生中子，在中子的轰击下铀-238产生裂变能，与此同时，出现了一系列的放射元素的‘嬗变’：

铀-238+中子 → 铀-239 → 镎-239 → 钚-239。

在中子轰击下，钚-239和铀-234又可以产生裂变，放出热量。

根据这种反应过程，反应堆的‘燃料棒’一般由下面材料构成：少量的浓度为3%左右的铀-235，大量的铀-238，常常还掺进一些钚-239和铀-233。将这些材料烧结成“燃料元件”，每个燃料元件是直径1cm，高度1cm的圆柱体。

上百个燃料元件装在一根细长的锆合金材料套管内，构成一根燃料棒。

几十到几百根燃料棒组合使用，构成反应堆里面的燃料组件。

2.核乏力棒

核燃料元件中铀-235用完了，核燃料棒就变为“乏燃料棒”了。

“乏燃料棒”中基本上没有铀-235了（或许还有极少量的存在），但还有大量的没有烧完的铀238、钍232等；还有在辐射过程中衰变产生的元素钚239、铀233；还有嬗变出来的的镎、镅、锔等超铀元素和另外一些新的裂变元素。

常规核电站铀资源的利用率只能达到1.5%，若考虑各种损耗，则一般只能利用1%左右。一座100万KW的压水堆电站，每年卸出25吨“乏燃料棒”。

“乏燃料棒”中还有很多核素，常规的处理办法是设法从乏力棒中再提取出一些核素加以利用，这些工作很是复杂也很危险。剩下的‘核废料’是大量的，其放射性会存在大几百年。以前，核废料都是深埋，尽管会污染环境也没有办法，‘核废料的处理’是‘发展核能’中最头痛的事情。全世界的核能专家都在研究核废料再利用的办法，中国启明星号在这方面取得了突破。为此，全世界的核电专家都羡慕不已。

二．我国‘启明星号’突破‘核废料再利用’技术

核废料再利用的思路早有讨论，即用加速器产生的高能质子，轰击‘标靶’产生中子，这些中子再打到乏力棒上，乏力棒中的不少‘核素’就又可以裂变产生出核能了。

这个思想在实现中存在很多问题：

（1）采用什么类型的，多大功率的加速器。

（2）采用什么靶子去产生中子。

（3）产生的中子类型和数目如何与乏力棒的元素成分最佳匹配。

（4）什么冷却剂才能获得最佳传热效果。

全世界研究了几十年，中国的‘启明星号’取得了突破。取名‘启明星’有照亮黎明，启迪希望之意。

2005年7月，我国建成启明星I号反应堆。此堆为‘脉冲中子源’和不同‘核素’使用的关系提供了实验数据。

2016年12月，我国建成启明星II号反应堆，进一步探索‘核废料’在中子轰击下的嬗变规律，可以将‘核废料’的利用率提高到95%。

2019年10月，我国建成启明星III号反应堆，其特点是，采用先进的铅铋合金冷却（该合金熔点是120℃，比开水高一点,沸点是1670℃），对堆芯和各类部件做了紧凑设计，研发了多种新型中子测量技术，实验了高功率到低功率（100瓦）的运行。该堆已经达到实用性要求。

‘启明星号’关于‘核废料再利用技术’领先世界，是全球‘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名片。

三．总结

‘启明星号’关于‘核废料再利用技术’说得简单一点就是，使用粒子加速器让“乏燃料棒”或者‘核废料’再次产生剩余的‘核能’，这种反应堆在专业方面称为“次临界驱动堆”，这项技术具有如下优点：

（1）核素材料的利用率非常高。“乏燃料棒”中97%的核素可以得到充分

利用，燃料棒利用率相比以前提高了几十倍，现在一次投料,可以长期运行了。烧剩下的核废料很少，放射性也很小，处理核废料更容易了。

（2）安全性非常高。传统反应堆控制反应速度难，稍有不慎就会产生灾难；它还产生大量的‘核废料’，放射性很强，是对于环境的污染源。‘启明星号’所突破的“次临界驱动堆”就不一样了，只要把加速器断电，外部中子瞬间消失，反应立即停止，绝不会发生核灾难；而且“次临界驱动堆”最终产生‘弱放射性核废料’，衰减周期短，废料量也少。

（3）以前丢弃的核废料还可以再利用，减少核污染。

（4）“次临界驱动堆”的燃料来源极其丰富。因为借助于外援中子可以燃

烧铀-238或钍-232,对铀-235丰度就没有什么要求了，把铀矿简单处理就可以变成燃料了。

更有甚者，因为

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

其中的铀-233是一种易裂变物质。这就是说，用钍也可以做核燃料。钍所蕴含的可裂变能量很大，钍原料的放射性极弱，储量丰富。

（5）次临界驱动堆燃料加工成本可以大大地降低，发电成本更便宜。也就是说，将来的核裂变能还会得到进一步的发展。

（6）次临界驱动堆预期会有更多好处。例如，将来的核聚变中的“氚”可以由粒子加速器生产。大家知道，核聚变需要燃料氘和氚，氘可以从海水中提取，而自然界中的氚极其微量；用质子加速器轰击氢就可以生产出氚。

（7）“次临界驱动堆”的最终产物不会产生武器级的核材料了，这对于防止核扩散非常有利。

（8）‘启明星号’技术是核能利用方面划时代的技术，用该技术做成商用堆型可大可小。对于大型堆，我国已经决定在广东惠州建立兆瓦级的‘次临界驱动堆’；对于小型反应堆，用作机动发电，可用于航母、潜艇、舰艇、运输车船等。

‘次临界驱动堆’示意图