专家详解铀利用率从1%提高到95%:商业化探索在路上

  专家表示,加速器驱动先进核能系统(ADANES)能够在进口端(乏燃料)和出口端(电力)双线获利,并产生盈余。虽然这种商业模式还是设想,但其实已经瞄准了千亿级的乏燃料处理市场。

  可燃冰之后,又一项“不明觉厉”的技术在能源圈刷屏。

  6月8日,中国科学院近代物理研究所等在加速器驱动先进核能系统(ADANES)项目中取得的重大阶段进展。ADANES系统可将压水堆乏燃料再生处理为ADANES核燃料,从而将铀资源利用率由目前技术的“不到1%”提高到“超过95%”,所排出的核废料的放射性寿命也由数十万年缩短到约500年。

  据了解,2011年中科院启动了战略性先导科技专项(A类)“未来先进核裂变能-加速器驱动次临界(ADS)嬗变系统”的研究,在ADS先导专项实施的基础上,在2015年正式提出了ADANES的新概念方案。

  6月15日,记者专访了一位接近项目研究组的专业人士龙子鹏(化名),他告诉记者,ADANES系统不仅能够提高铀资源的利用率,而且未来在商业化运营中具有盈利能力,具备商业可行性。

  “ADANES最大的价值在于能解决目前的核能系统遗留下来的问题,同时大幅提高铀资源的利用率。对全人类和平利用核能来说,将会是一个里程碑。”龙子鹏说。

  从1%到95%

  上世纪80年代末90年代初,国际上提出ADS概念,我国也基本同期开始及时跟进部署相关研究。ADS是国际上公认的一种最有前景的核废料安全处理技术途径,可大幅缩短核废料的放射性寿命,并产生能量维持系统运行,但尚未有建成的装置。

  “自2011年ADS先导专项正式实施6年以来,我国ADS系统的研究在国际上已经处于第一方阵,在质子超导直线加速器等部分核心技术上甚至达到国际领先水平。”龙子鹏说。

  即便如此,中科院在前期研究中一直觉得ADS技术方案后期仍有很多难点,在思考能否另辟蹊径的过程中,逐步形成了ADANES的概念。

  “如果把ADANES看作一个婴儿,在2014年其实已经‘怀上’了,一些细节开始逐步成型,‘出生’也就是正式提出是在2015年初。”龙子鹏说。

  而ADANES也深孚众望地探索出了一条清洁利用铀资源的路径,将铀资源利用率由目前技术的“不到1%”提高到“超过95%”,实现“吃干榨尽”。

  对于这两数字,龙子鹏给记者算了一笔账。

  天然铀是铀-238、铀-235为主的混合物,其中铀-238约占99.27%,铀-235约占0.712%。现有压水堆技术使用的燃料主要是铀-235。龙子鹏告诉记者,天然铀经过浓缩后制成的燃料棒中铀-235的浓度约为3%-5%,经压水堆“燃烧”后卸出的乏燃料中铀-235的含量大约为1%。

  所以,若以浓缩后的燃料棒中铀-235浓度为5%估算,相当于燃烧过程消耗了80%的铀-235,而铀-235本身只占天然铀的0.712%,也就是说天然铀只利用了不到0.6%。

  “即使满打满算加上少量的铀-238的增殖带来的利用率增量,这个数字至多也在0.6%左右,1%是高估的。”龙子鹏说。

  而ADANES系统可增殖铀-238,并且是闭式再生循环,即只要铀资源没有被利用便在系统内循环,所以除了在排出核废料时被夹带出来的铀之外,其余铀资源都是被利用的。根据计算,ADANES系统的天然铀利用率能超过95%。

  虽然该数据目前也只是原理计算加部分原理实验验证得出的结果,最后是否能达到还需要看实际情况,但龙子鹏相信“大幅提高”应该是没有问题的。

  他也坦言,目前该技术还不成熟,还面临诸多困难,尤其乏燃料再生循环的技术成熟度(约为2)还要落后于ADANES燃烧器(约为4)。一方面,技术难度非常大,技术成熟度的不断提高还需要国家和企业真金白银投入科技研发攻关。另外,ADANES与传统的反应堆系统相比,系统复杂性增加,所以对可靠性的要求也更严苛。

  商业化设想

  此前媒体报道了ADANES的四步走发展战略:原理研究及关键技术攻关(2011年-2020年)——原理验证(2016年-2023年)——技术验证(2022年-2030年)——工业推广(2030年以后)。

  龙子鹏介绍,现在ADANES的燃烧器已经有了实验装置的建设计划。依托该实验装置,将研究验证ADANES示范装置的工程建设等问题。

  ADANES系统作为一个核能系统同时具备三个功能,即嬗变核废料、增殖核燃料以及核能发电。

  “传统的ADS只是把长寿命高放核废料进行嬗变处理为短寿命或低放核废料后再进行地质永久处置,也就是深埋处理。从商业上来说只有投入没有产出,是‘赔钱’的系统,作为单独的核能装置在商业上是不能成立的。”龙子鹏表示,ADANES则能够在进口端(乏燃料)和出口端(电力)双线获利,并产生盈余。虽然这种商业模式还是设想,但其实已经瞄准了千亿级的乏燃料处理市场。

  乏燃料与核废料的处理一直是核电发展中的难题。目前世界上对于乏燃料的处理大多是在核电站的乏燃料池中暂存10-15年,然后运出核电站进行集中地质处置(以美国为代表)或后处理(以法国为代表)。后者采用“闭式循环”的策略,以高度精细的方式从乏燃料中回收铀和钚进行再利用。

  除了经济上的因素,安全性是更重要的考虑因素。

  据媒体报道,2016年8月,连云港曾因为被定为中法核循环项目的拟选厂址而引起争议,随后市政府宣布暂停核循环项目选址前期工作。

  “对于核扩散来说,核心是铀-235和钚-239。ADANES在再生循环的全流程中不对铀-235或钚-239进行富集或提取,因此天然具有防核扩散的特性。”龙子鹏说。

  同时,虽然核燃料成本在压水堆核电站运营成本中占比不到10%,但我国铀资源从长远看是缺乏的,因此中核集团和中广核等均出海寻铀。若ADANES系统能够得到应用,将减少对铀矿的需求,确保核燃料的供应。

  核电企业介入

  实际上,该技术已经获得了中国核工业集团公司(简称“中核集团”)与中国广核集团(简称“中广核”)的青睐。

  2011年,中科院与中核集团下属的中国原子能科学研究院共同向国家发改委建议了ADANES燃烧器的项目,该项目在2015年底得到了批准。

  “ADANES涉及众多学科,中科院内外有数十个单位参与,随着规模的扩大,合作的研究单位还会增加。同时,企业参与得越早,相当于技术在发展完善的过程中与企业对接的程度越深入,未来商业化会更容易些。在从技术到工程的过程中,中科院作为一个科技创新的研发机构也会逐渐转换身份。科技创新阶段以中科院为主,工程阶段是企业为主,到商业应用,中科院可能只是持有股份,由企业来承担推广的责任。”龙子鹏说。

  龙子鹏认为,ADANES这样的技术,在商业化过程中应该集合社会上有利的资源。“这也取决于企业对于行业技术前景的判断,要有一定的胆魄。前期高风险,后期可能是高收益回报。”

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