科技改變生活 · 科技引領未來
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中國的核能技術發展到什么水平了？隨著我科技的快速發展，我國的清潔能源領域已經發生了翻天覆地的變化。我們不緊不慢地推進著核電站的建設，力求安全高效地進入清潔能源時代。而要想核能做到完全“清潔”，核廢料處理技術的發展也是重中之重。2016年，中
中國的核能技術發展到什么水平了？隨著我科技的快速發展，我國的清潔能源領域已經發生了翻天覆地的變化。我們不緊不慢地推進著核電站的建設，力求安全高效地進入清潔能源時代。而要想核能做到完全“清潔”，核廢料處理技術的發展也是重中之重。
2016年，中國科學院近代物理研究所研制的“未來先進核裂變能——ADS嬗變系統”超導直子加速器注入器Ⅱ原型機研制取得重大進展。在此技術的支持下，我國首座鉛基核反應堆零功率裝置“啟明星Ⅱ號”首次實現臨界，標志著我國在此領域已達到國際先進水平。這項技術一出現，日本就想買下了，開價3000億美元，美國更是開出6000億美元的高價想將此項技術買下，但均被我國一一回絕。究竟是怎樣的技術能讓美國日本自愿掏腰包？
ADS嬗變系統是啥？
ADS是加速器驅動次臨界潔凈核能系統（Accelerator Driven Sub-critical System）的簡稱。這個系統具有強大的嬗變能力，安全性高，中子經濟性好。不但能提高核燃料的利用效率，也能增殖核燃料和利用釷作為燃料發電，最重要的是，它在嬗變核廢料方面有其他系統難以替代的優勢。
ADS嬗變系統由質子直線加速器、重金屬散裂靶、次領界反應堆、平臺及配套設施五個部分組成。工作原理是，利用加速器產生高能強流質子束，用質子束轟擊重核，產生寬能譜和高通量中子作為外源，驅動次領界堆芯中的裂變材料，促使裂變材料發生持續的鏈式反應。使得長壽命的放射性核素最終變為非放射性或短壽命的核素，維持反應堆運行。
強流高功率離子束是核工業的尖端技術，是各個發達國家爭先搶占的技術高地。這項技術被我國突破，無疑是先人一步卡住了別人的脖子。
啟明星Ⅱ號
啟明星Ⅱ號全稱為鉛基核反應堆零功率裝置，ADS嬗變系統就是運用于啟明星Ⅱ號中。啟明星Ⅱ號運用于核電站中，不但能將核燃料的使用效率提高到95%，還能對核燃料消耗完成后產生的核廢料再次回收利用。該裝置中的鉛基中含有鉛冷質，可以讓核廢料失去放射性，也可以將核發力釋放的能量再轉化為電能。
這個裝置厲害在哪里呢？目前，世界上所有擁有核電站的國家最常用的處理核廢料的方式就是掩埋和儲存。中國、英國、法國等國家都是采用處理后陸地掩埋的方式；美國日本則是將所有核廢料儲存起來，等待日后繼續研究。而啟明星Ⅱ號則可以將核廢料回收再利用，不但緩解了核燃料短缺的問題，也初步解決了核廢料的處理問題。
核廢料沒有那么“廢”
核廢料就是進行核工業活動時，核燃料燃燒產生的放射性廢料，但從專業的角度來說，核廢料還不是完全的“廢”，燃燒過后會變成乏燃料。乏燃料是什么呢？核電站所用的燃料是二氧化鈾，主要成分是3%~5%的鈾235。燃料燃燒一段時間后，鈾235含量減少，含量降到1%時就不能再提供能量，鏈式反應也無法繼續進行，這時就需要將核燃料從反應堆中拿出來。拿出來的這些東西就是核廢料，核工業領域稱它為乏燃料。總的來說，核廢料就是不能繼續在反應堆里燃燒，繼續提供能量，經濟性、穩定性和可靠性都不夠強的燃料。
核廢料為何還能回收利用
核燃料在燃燒反應前只有二氧化鈾，燃燒反應后會通過裂變產生50多種新元素，這些元素幾乎占據了一半的元素周期表，同位素多達上百種。例如氦氖等惰性氣體元素、 鑭鈰等稀土元素、鈾钚等放射性元素。但是乏燃料中95%的物質依然是鈾，將乏燃料回收后，再從中提取鈾235做成新燃料。
為什么要回收核廢料
乏燃料中雖然只含有1%的鈾235，但要知道，天然鈾礦中的鈾235含量只占0.7%，其他99.3%是鈾238，所以獲得天然鈾礦后要經過提取才能獲得核燃料。平均每噸地殼物質中含有2.5克鈾，如果每次使用后的乏燃料都只經過簡單處理掩埋的話，地球上的鈾資源只夠人類用幾十年。
乏燃料提取過后，會剔除其中的反射性元素，減小核廢料的體積，也減少了核廢料對環境產生的潛在威脅。
乏燃料中95%是二氧化鈾、1%是增殖產物钚239、4%~5%的裂變產物。裂變產物中有一部分錒系元素可以另作他用（錒系元素：元素周期表中原子序數為89~103區間的元素）。比如镎237，可以用來做核電池，進行火星探測的“天問一號”由于無法利用太陽能發電，就需要用到這種核電池。
（核電池）
核廢料回收利用的難度有多大
核廢料回收后要將通過化學分離法將各個元素分離出來，分離后會產生大量的化學廢液，廢液中就含有放射性物質，但是液體在環境中會很容易擴散，所以要將廢液制成固化體。現在最常用的方式是玻璃固化，做成屏障后就能保證放射性核素無法在環境中遷移。
而分離的過程也很困難，因為每種材料的溶解度不同，將所需物質從廢料里分解出來就像是在沙漠里淘金。所以無論是分離使用的萃取液，還是相關的化工設備，制造起來都很難。所以可以說，核廢料回收處理是人類目前所知的最復雜，最具有挑戰性的化工分離工藝。
啟明星Ⅱ號設備就是利用核電站的核廢料來做燃料發電，同時還能降低核廢料的污染，降低核廢料后續處理的難度，可見它的含金量有多高。
我國于2005年就建成了啟明星Ⅰ號，但只是一個基礎研究裝置，而且當時互聯網不發達，知道的人還很少。2019年，啟明星Ⅲ號在中國原子能科學研究院實現首次臨界，并正式啟動鉛鉍快堆芯特性物理實驗。
相比啟明星Ⅱ號使用的鉛堆，鉛鉍快堆可以在較低的溫度下運行。而且中子經濟性優良，不僅能提高資源利用率，也更利于預防擴散。可以用于千萬級的大型電場、深海空間站、海上石油開采平臺、偏遠地區能源供給等。啟明星Ⅲ號已經進入工程化階段，也意味著我國在鉛鉍快堆研發領域已走在國際前列。
馬夕