專家詳解鈾利用率從1%提高到95%：商業(yè)化探索在路上
專家表示，加速器驅(qū)動(dòng)先進(jìn)核能系統(tǒng)（ADANES）能夠在進(jìn)口端（乏燃料）和出口端（電力）雙線獲利，并產(chǎn)生盈余。雖然這種商業(yè)模式還是設(shè)想，但其實(shí)已經(jīng)瞄準(zhǔn)了千億級(jí)的乏燃料處理市場(chǎng)。
可燃冰之后，又一項(xiàng)“不明覺厲”的技術(shù)在能源圈刷屏。
6月8日，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所等在加速器驅(qū)動(dòng)先進(jìn)核能系統(tǒng)（ADANES）項(xiàng)目中取得的重大階段進(jìn)展。ADANES系統(tǒng)可將壓水堆乏燃料再生處理為ADANES核燃料，從而將鈾資源利用率由目前技術(shù)的“不到1%”提高到“超過95%”，所排出的核廢料的放射性壽命也由數(shù)十萬年縮短到約500年。
據(jù)了解，2011年中科院?jiǎn)?dòng)了戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）“未來先進(jìn)核裂變能-加速器驅(qū)動(dòng)次臨界（ADS）嬗變系統(tǒng)”的研究，在ADS先導(dǎo)專項(xiàng)實(shí)施的基礎(chǔ)上，在2015年正式提出了ADANES的新概念方案。
6月15日，記者專訪了一位接近項(xiàng)目研究組的專業(yè)人士龍子鵬（化名），他告訴記者，ADANES系統(tǒng)不僅能夠提高鈾資源的利用率，而且未來在商業(yè)化運(yùn)營(yíng)中具有盈利能力，具備商業(yè)可行性。
“ADANES最大的價(jià)值在于能解決目前的核能系統(tǒng)遺留下來的問題，同時(shí)大幅提高鈾資源的利用率。對(duì)全人類和平利用核能來說，將會(huì)是一個(gè)里程碑�！饼堊御i說。
從1%到95%
上世紀(jì)80年代末90年代初，國(guó)際上提出ADS概念，我國(guó)也基本同期開始及時(shí)跟進(jìn)部署相關(guān)研究。ADS是國(guó)際上公認(rèn)的一種最有前景的核廢料安全處理技術(shù)途徑，可大幅縮短核廢料的放射性壽命，并產(chǎn)生能量維持系統(tǒng)運(yùn)行，但尚未有建成的裝置。
“自2011年ADS先導(dǎo)專項(xiàng)正式實(shí)施6年以來，我國(guó)ADS系統(tǒng)的研究在國(guó)際上已經(jīng)處于第一方陣，在質(zhì)子超導(dǎo)直線加速器等部分核心技術(shù)上甚至達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平�！饼堊御i說。
即便如此，中科院在前期研究中一直覺得ADS技術(shù)方案后期仍有很多難點(diǎn)，在思考能否另辟蹊徑的過程中，逐步形成了ADANES的概念。
“如果把ADANES看作一個(gè)嬰兒，在2014年其實(shí)已經(jīng)‘懷上’了，一些細(xì)節(jié)開始逐步成型，‘出生’也就是正式提出是在2015年初�！饼堊御i說。
而ADANES也深孚眾望地探索出了一條清潔利用鈾資源的路徑，將鈾資源利用率由目前技術(shù)的“不到1%”提高到“超過95%”，實(shí)現(xiàn)“吃干榨盡”。
對(duì)于這兩數(shù)字，龍子鵬給記者算了一筆賬。
天然鈾是鈾-238、鈾-235為主的混合物，其中鈾-238約占99.27%，鈾-235約占0.712%�，F(xiàn)有壓水堆技術(shù)使用的燃料主要是鈾-235。龍子鵬告訴記者，天然鈾經(jīng)過濃縮后制成的燃料棒中鈾-235的濃度約為3%-5%，經(jīng)壓水堆“燃燒”后卸出的乏燃料中鈾-235的含量大約為1%。
所以，若以濃縮后的燃料棒中鈾-235濃度為5%估算，相當(dāng)于燃燒過程消耗了80%的鈾-235，而鈾-235本身只占天然鈾的0.712%，也就是說天然鈾只利用了不到0.6%。
“即使?jié)M打滿算加上少量的鈾-238的增殖帶來的利用率增量，這個(gè)數(shù)字至多也在0.6%左右，1%是高估的。”龍子鵬說。
而ADANES系統(tǒng)可增殖鈾-238，并且是閉式再生循環(huán)，即只要鈾資源沒有被利用便在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，所以除了在排出核廢料時(shí)被夾帶出來的鈾之外，其余鈾資源都是被利用的。根據(jù)計(jì)算，ADANES系統(tǒng)的天然鈾利用率能超過95%。
雖然該數(shù)據(jù)目前也只是原理計(jì)算加部分原理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出的結(jié)果，最后是否能達(dá)到還需要看實(shí)際情況，但龍子鵬相信“大幅提高”應(yīng)該是沒有問題的。
他也坦言，目前該技術(shù)還不成熟，還面臨諸多困難，尤其乏燃料再生循環(huán)的技術(shù)成熟度（約為2）還要落后于ADANES燃燒器（約為4）。一方面，技術(shù)難度非常大，技術(shù)成熟度的不斷提高還需要國(guó)家和企業(yè)真金白銀投入科技研發(fā)攻關(guān)。另外，ADANES與傳統(tǒng)的反應(yīng)堆系統(tǒng)相比，系統(tǒng)復(fù)雜性增加，所以對(duì)可靠性的要求也更嚴(yán)苛。
商業(yè)化設(shè)想
此前媒體報(bào)道了ADANES的四步走發(fā)展戰(zhàn)略：原理研究及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)（2011年-2020年）——原理驗(yàn)證（2016年-2023年）——技術(shù)驗(yàn)證（2022年-2030年）——工業(yè)推廣（2030年以后）。
龍子鵬介紹，現(xiàn)在ADANES的燃燒器已經(jīng)有了實(shí)驗(yàn)裝置的建設(shè)計(jì)劃。依托該實(shí)驗(yàn)裝置，將研究驗(yàn)證ADANES示范裝置的工程建設(shè)等問題。
ADANES系統(tǒng)作為一個(gè)核能系統(tǒng)同時(shí)具備三個(gè)功能，即嬗變核廢料、增殖核燃料以及核能發(fā)電。
“傳統(tǒng)的ADS只是把長(zhǎng)壽命高放核廢料進(jìn)行嬗變處理為短壽命或低放核廢料后再進(jìn)行地質(zhì)永久處置，也就是深埋處理。從商業(yè)上來說只有投入沒有產(chǎn)出，是‘賠錢’的系統(tǒng)，作為單獨(dú)的核能裝置在商業(yè)上是不能成立的。”龍子鵬表示，ADANES則能夠在進(jìn)口端（乏燃料）和出口端（電力）雙線獲利，并產(chǎn)生盈余。雖然這種商業(yè)模式還是設(shè)想，但其實(shí)已經(jīng)瞄準(zhǔn)了千億級(jí)的乏燃料處理市場(chǎng)。
乏燃料與核廢料的處理一直是核電發(fā)展中的難題。目前世界上對(duì)于乏燃料的處理大多是在核電站的乏燃料池中暫存10-15年，然后運(yùn)出核電站進(jìn)行集中地質(zhì)處置（以美國(guó)為代表）或后處理（以法國(guó)為代表）。后者采用“閉式循環(huán)”的策略，以高度精細(xì)的方式從乏燃料中回收鈾和钚進(jìn)行再利用。
除了經(jīng)濟(jì)上的因素，安全性是更重要的考慮因素。
據(jù)媒體報(bào)道，2016年8月，連云港曾因?yàn)楸欢橹蟹ê搜h(huán)項(xiàng)目的擬選廠址而引起爭(zhēng)議，隨后市政府宣布暫停核循環(huán)項(xiàng)目選址前期工作。
“對(duì)于核擴(kuò)散來說，核心是鈾-235和钚-239。ADANES在再生循環(huán)的全流程中不對(duì)鈾-235或钚-239進(jìn)行富集或提取，因此天然具有防核擴(kuò)散的特性�！饼堊御i說。
同時(shí)，雖然核燃料成本在壓水堆核電站運(yùn)營(yíng)成本中占比不到10%，但我國(guó)鈾資源從長(zhǎng)遠(yuǎn)看是缺乏的，因此中核集團(tuán)和中廣核等均出海尋鈾。若ADANES系統(tǒng)能夠得到應(yīng)用，將減少對(duì)鈾礦的需求，確保核燃料的供應(yīng)。
核電企業(yè)介入
實(shí)際上，該技術(shù)已經(jīng)獲得了中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司（簡(jiǎn)稱“中核集團(tuán)”）與中國(guó)廣核集團(tuán)（簡(jiǎn)稱“中廣核”）的青睞。
2011年，中科院與中核集團(tuán)下屬的中國(guó)原子能科學(xué)研究院共同向國(guó)家發(fā)改委建議了ADANES燃燒器的項(xiàng)目，該項(xiàng)目在2015年底得到了批準(zhǔn)。
“ADANES涉及眾多學(xué)科，中科院內(nèi)外有數(shù)十個(gè)單位參與，隨著規(guī)模的擴(kuò)大，合作的研究單位還會(huì)增加。同時(shí)，企業(yè)參與得越早，相當(dāng)于技術(shù)在發(fā)展完善的過程中與企業(yè)對(duì)接的程度越深入，未來商業(yè)化會(huì)更容易些。在從技術(shù)到工程的過程中，中科院作為一個(gè)科技創(chuàng)新的研發(fā)機(jī)構(gòu)也會(huì)逐漸轉(zhuǎn)換身份�？萍紕�(chuàng)新階段以中科院為主，工程階段是企業(yè)為主，到商業(yè)應(yīng)用，中科院可能只是持有股份，由企業(yè)來承擔(dān)推廣的責(zé)任�！饼堊御i說。
龍子鵬認(rèn)為，ADANES這樣的技術(shù)，在商業(yè)化過程中應(yīng)該集合社會(huì)上有利的資源。“這也取決于企業(yè)對(duì)于行業(yè)技術(shù)前景的判斷，要有一定的膽魄。前期高風(fēng)險(xiǎn)，后期可能是高收益回報(bào)�！�
