互动科普

从再循环核燃料中提取更多能量 恐怖分子无法利用核燃料来制造核武器——对环境持续污染的潜在危险大大减少：新型再循环核燃料及改进型快中子反应堆具有上述三大优点，这项实验型技术已成为世界各国和平利用核能的未来发展趋势，商业前景十分可观。

尽管公众对核能安全性的担忧长期存在，但是越来越多的人正意识到核能在环保上可能是大规模发电的最便利的方式。包括巴西、中国、埃及、芬兰、印度、日本、巴基斯坦、俄罗斯、韩国和越南在内的一些国家正在建造或规划核电站。但是这一全球发展趋势迄今为止并未波及美国——大约30年前，美国就开始了对最新型核电站的研究工作。

如果合理地开发利用核能，那么核能便可能成为真正可持续、本质上用之不竭的能源，在生产过程中不会对气候变化带来影响。特别是，一种相对新型的核技术能够克服现行方法的主要缺陷一一换句话说，就是人们不用担心发生反应堆事故、核燃料被转换为极端杀伤性武器的潜在可能、对于危险性的长寿命放射性废料的管理、可利用的全球铀资源枯竭等问题。这种核燃料循环可能会融合两项创新技术：高温冶金处理(一种将反应堆废料再生为燃料的高温方法)，以及能燃烧这种再生燃料的改进型快中子反应堆(简称快堆)。这种反应堆所生成的废料，放射性有望在几百年内降至安全水平，核废料的隔离也就无需数万年之久了。

对于导致高频裂变的中子而言，这些中子一直缓慢或高速地运动着。大多数现有核电站都包含有热堆(热中子反应堆)，速度(或能量)相对较低的中子在其堆芯内反弹出去，驱动着热堆。虽然热堆产生热量并因此相当高效地发电，但是热堆不能将所产生的放射性废料减至最少。

所有的反应堆都通过分裂重金属(大原子量)原子，主要是铀或铀的衍生元素的原子，来产生能量。在自然界中，铀作为两种铀的同位素的混合物存在，这两种同位素就是易于裂变的铀235(被称为“易裂变”)和稳定得多的铀238。

核反应堆中的铀火由中子触发，也由中子加以保持。当一个易裂变原子核被中子击中，尤其是被一个缓慢运动的中子击中时，它将最有可能分裂(裂变)，释放出巨大能量和若干其他中子。然后其中一些发射中子撞击附近的其他一些易裂变原子，使它们分裂，从而使一种核链式反应扩展开来。由此产生的热量从反应堆输送出来，将水变为蒸汽，然后用蒸汽运转汽轮机，再由汽轮机驱动发电机发电。

铀238是不易裂变的；由于当它被快中子击中时有时会裂开，因而被称为“可裂变”当铀238原子吸收中子而未裂开时，它便嬗变为钚239，钚239就像铀235一样，易于裂变，并能维持一种链式反应，因此也被称为“可转换(为易裂变)的”。在使用大约3年之后，由于与辐射有关的递降和铀235的贫化，所以当技术人员从现今的反应堆中取出废燃料时，核电站所产生的能量有一半以上正由钚提供。

在一座热堆中，天生运动迅速的中子通过与附近小原子量的原子，诸如流过反应堆堆芯(活性区)的水中的氢之类相互作用，这些中子的速度就变慢(或慢化)。正在运行的大约440座商用核反应堆中，除了其中两座，大多数——包括103座美国动力反应堆——都采用水来减慢中子运动速度，并将裂变产生的热量传递给有关发电机。大多数这些热堆系统被工程师称为轻水堆。

在任何核电站中，重金属原子作为燃料“燃烧”而被消耗。即使核电站从含有浓缩铀235的燃料开始，大多数易于裂变的铀也会在约3年后消失殆尽。当技术人员取出这些贫化燃料时，燃料中潜在的可裂变原子(铀235、钚和铀238)仅有约1／20被耗尽，因而所谓的废燃料依然含有原有能量的95％左右。此外，仅有大约1／10已开采的铀矿石在浓缩过程中被转化为燃料(在浓缩期间，铀235的浓度大幅增加)，因而不到1／100的铀矿石总能量被用于现今核电站发电。

这一事实意味着现今的热堆废燃料仍然有可能供给许多核火作为燃料使用。因为全世界的铀供应量是有限的，热堆的数量持续增长可能会在几十年内耗尽可供使用的低成本铀储量，所以对这种废燃料或浓缩过程中剩下的“尾渣”弃之不用，是不明智的。

这种废燃料由三种材料组成。裂变产物占废燃料总量的5％左右，是真正的废料——如果愿意，可将它称作裂变火的灰烬。它们包括一种在重原子分裂时所产生较轻成分的混合物，这种混合物在最初的若干年内具有高放射性，大约10年之后，这种放射性才由铯137和锶90这两种同位素所控制，它们都可溶于水中，因而必须将它们密封起来。经过大约300年之后，那些同位素的放射性便降至原来的1／1OOO——降至这个水平时，它们实际上已没有危害了。 铀占据了烧过核燃料的大部分(约94％)；这是未裂变铀，丧失了大部分铀235并类似于天然铀(仅含0．71％易裂变铀235)。这一成分仅具有中度放射性，如果将它与裂变产物和废燃料中的剩余材料分离开，那就能很容易将它安全贮存在轻便的保护设施中，以备未来使用。

真正麻烦的，其实还是废燃料中的超铀成分，即一些比铀重的元素。这一部分废燃料主要是一种由某些钚同位素和大量镅组成的混合物。虽然超铀元素仅占废燃料的1％左右，但是它们却构成了当今核废料问题的主要来源。这些超铀原子的半衰期(即放射性减半所耗用的时间)长达数万年之久，所以美国政府管理人员计划，在内华达州亚卡山高辐射核废料仓库，隔离废燃料一万年以上。

一种过时的战略

早期核工程师预计热堆废燃料中的钚可以被提取出来，然后用于快中子反应堆。它们被称作快中子增殖反应堆，是因为它们被专门设计用于产生更多的钚，多于它们所消耗的量。核能先驱者们还设想出一种可能涉及钚公开贸易的能源经济——钚可用于制造核弹。由于几个主要超级大国的核技术扩散开来，因而这种潜在应用令人们担心脱缰的原子武器会迅速扩散到其他国家，乃至恐怖主义组织手中。

《核不扩散条约》在1968年部分地解决了这个问题。一些渴望核动力技术利益的国家可能会签署该条约，并承诺不谋求核武器，因此这些拥有核武器的国家同意帮助其他国家和平利用核能。虽然一支国际监察员骨干队伍一直在监督成员国遵守该条约，但由于缺乏有效的权威和强制措施，该国际条约的作用有限。

核武器设计者们需要含有极钚239同位素浓度的钚，而用于商用核电站的钚通常含有大量钚的其他同位素，使它难以用于核弹制造。尽管如此，将核废料中的钚用于核弹制造并非不可想象。因此，吉米·卡特总统于1977年禁止在美国民间回收核燃料，他解释说，如果不从核废料中回收钚，那么就无法把它用于制造核弹。卡特还想让美国成为全世界的榜样。然而，法国、日本、俄罗斯和英国都未仿效美国，仍然继续回收钚，以供核电站使用。

一种可采用的方法

当该禁令发布时’“回收”PUREX(即普雷克斯，即指钚铀提取)的同义词，PUREX方法是—种专门研制的技术，以满足核武器对纯化学钚的需要。然而，改进型快中子反应堆技术使得一种再循环战略成为可能，而这种战略在任何阶段都不涉及纯钚。这样，快中子反应堆可使来自能源生产的废燃料被用于核武器生产的风险减至最低，与此同时还能提供一种能在最大程度上从核燃料中榨取出能量的独特能力。在法国、日本、俄罗斯、英国和美国已经建造了若干这类反应堆，并且用于发电，其中两座仍在运行(见《科学美国人》2002年1月号詹姆斯·A·莱克，拉尔夫·G·贝内特和约翰·F·科泰克所著《下一代核动力》一文)。

比起热堆来，快中子反应堆能从核燃料中提取更多的能量，因为比起慢速热中子来，快速运动的(高能的)中子能更高效地引发原子裂变。这种效能源于两种现象：在较慢速度的情况下，很多中子在不裂变反应中被吸收和丢失掉。其次，快中子的较大能量使得像铀238这样的可持续易裂变的重金属原子在被撞击时更有可能发生裂变。基于这个事实，不仅铀235和钚239在快中子反应堆中可能裂变，而且数量相当可观的更重的超铀原子也将可能裂变。

在快中子反应堆中，不能使用水来传递堆芯中的热量一它会减缓快中子的速度。因而工程师一般使用诸如钠之类的液态金属作为冷却剂和传热剂。液态金属具有一大优点。水冷系统在极高压力之下运行，因而少许泄漏都可能迅速发展为蒸汽的大量释放，或者管道严重破裂，迅速丧失掉反应堆冷却剂。然而，液态金属系统则在大气压力下运行，因而它们几乎不会出现上述情况。尽管如此，如果钠暴露于水中就会着火，因此必须对钠严加管理。最近几年，人们已经积累了相当多的管理这种物质的经验，还逐渐形成了一些管理方法。但仍然发生过钠着火的事故，而且毫无疑问，这种事故将来还会更多。1995年，日本文殊快中子反应堆就发生了着火事件，造成该反应堆建筑物内一片狼籍，但是从未给反应堆的完整性造成威胁，没有人受伤或受到辐射伤害。工程师也并未将钠的易燃性视为重要问题。

20世纪50年代，美国阿贡国家实验室的研究人员就开始研究快中子反应堆技术。20世纪80年代，这一研究指向一种采用液态金属冷却金属燃料的快中子反应堆(称之为改进型液态金属反应堆，即ALMR)，并将这种反应堆与用于再循环和补充燃料的高温冶金处理装置结合起来。核工程师还提供了若干其他快中子反应堆的概念，其中一些使用金属铀或钚燃料，而其余的则使用氧化物燃料。液态铅或铝铋溶液的冷却剂已经投入使用。正如在ALMR中使用的那样，金属燃料之所以优于氧化物燃料，是因为它更安全、能使新燃料能更快增值，也能更容易与冶金再循环配对使用。

高温冶金处理

正如PUEX(普雷克斯)方法那样，高温冶金过程(缩写为“pyro”)从废燃料中提取的是一种超铀元素的混合物，而非纯钚。这种方法建立在电镀的基础之上，也就是在一种引导的金属电极上，使用电来收集，金属作为离子从化学浴中被提取出来。它的名称来源于金属在该工艺过程中必须经受的高温。目前已经研究出两种类似的方法，一种是美国研究的，另一种则是俄罗斯研究的，其主要差别在于俄罗斯的方法处理陶瓷(氧化物)燃料，而美国的ALMR中的燃料则是金属燃料。

在美国的高温过程中，技术人员将废金属燃料溶解于化学浴内。然后用一股强大的电流有选择性地在电极上收集钚和其他超铀元素，以及一些裂变产物和许多铀。大部分裂变产物和一部分铀仍继续留在化学浴中。当聚积满一批时，操作人员便取出电极，接着他们从电极上刮下聚积的材料，将它们熔化。然后铸造成锭料，并让锭料通过一条再加工生产线转化为快中子反应堆燃料。当该化学浴装满裂变产物时，技术人员便将溶剂提纯，并对提取出的裂变产物进行处理，以便永久处置。

因此，与现有的PUREX方法不同，其高温过程实际上收集所有的超铀元素(包括钚在内)，留下大量的铀和裂变产物。只有极少部分的超铀成分最终成为最后的废料流，这样一来便大大减少了所需要的隔离时间。裂变产物与超铀元素混合物并不适合于制造核武器，甚至不适合作为热堆燃料。然而，这种混合物不仅是允许存在的，而且还有利于给快中子反应堆提供燃料。

虽然高温冶金再循环技术尚不完善，还不能立即投入商业使用，但是研究人员已经揭示出其基本原理。在美国和俄罗斯，这一技术已在运行着的核电站中成功地获得了实验水平验证。然而，迄今为止该技术尚未大规模投入生产。

比较循环

热堆和快中子反应堆的工作能力在某些方面相似，但在其他方面却大相径庭。例如，一座1000MW功率的热堆电站每年产生的废燃料超过了100吨。相比之下，一座发电量相同的快堆电站每年产生的废燃料仅为一吨多的裂变产物及痕量超铀元素。

使用ALMR循环的废燃料管理可以得到大大简化，因为快中子反应堆的废燃料不含大量长寿命超铀元素，所以在几百年而非数万年之后，它的辐射便可衰减到其原矿石的辐射程度。如果广泛使用快中子反应堆，那么只有两种情况需要运送高放射性材料——当裂变产物装运到亚卡山或一个替代点时，以及当启动燃料装运到一个新反应堆时。也可以有效切断钚的商业贸易。

有些人正在主张美国着手一项采用PUREX技术的广泛计划，用于处理反应堆燃料，制造铀和钚的混合氧化物，以重新循环回热堆。虽然混合氧化物(MOX)方法目前正用于破坏多余的武器级钚，让它无法参与核弹制造，这倒是一个好主意，但我们认为，部署这种PUREX基础设施，可能是一个错误。它们比处理民用燃料的需要要大得多。这种资源收益可能是适度的，而长期性的废料问题却依然会存在，其全部努力只能短期延迟对高效快中子反应堆的需要。

采用高温冶金处理技术的快中子反应堆系统用途极为广泛。它可以是钚的净消耗装置或净生产装置，或者它可以用一种无损耗的方式运行，作为净生产装置运行，该系统能为其他快中子反应堆发电站提供启动燃料；作为净消耗装置，它可以将多余的钚和核武器材料消耗殆尽。如果选择一种无损耗方式，一座核电站可能唯一需要添加的燃料将是一种周期性注入的贫化铀(已经取出大部分易裂变的铀235的铀)，以取代经过裂变的重金属原子。

一些商业性研究表明，这种技术在经济上与现有核动力技术可能不相上下。高温冶金再循环的花费肯定大大低于PUREX回收技术，但实际上，该系统的经济可行性要得到验证之后才知道。任何一种能源的综合经济指标，不仅取决于直接成本，还取决于经济学家口中的“外部因素”，即因使用该技术而产生的外部效应的难于量化的成本。例如，当我们燃烧煤或石油发电时，我们的社会就承担了它带来的有害健康的效应及环境成本。因此，外部成本以直接或间接方式，对社会产生总体上的影响，有效地补贴了矿物燃料发电。即使它们难于核算，但经济比较不考虑到外部因素，仍是不切实际的，也让人产生误解。

结合反应堆类型利用核废料

如果改进型快中子反应堆投入使用，那么它们首先燃烧使用高温冶金处理技术再循环回收的热堆燃料。那些目前“暂时”存放于现场的废料可被运送到一些工厂，这些工厂能将它处理为三种输出流：第一种高放射性输出流可能含有大部分裂变产物，以及不可避免的微量超铀元素。它可以被转化为一种物理上稳定的形式，或许是一种玻璃状物质，然后装运到亚卡山或其他某个永久性处置场所。

第二种输出流实际上可获得所有超铀元素，以及部分铀和裂变产物。它可以被转化为一种快中子反应堆使用的金属燃料，然后被转运到ALMR型反应堆。

第三种输出流占烧过的热堆燃料的92％左右，它可能包含有大部分目前处于贫化状态的铀。可以把它贮藏起来，以便将来作为快中子反应堆燃料使用。

当然，这样一种设想不可能一蹴而就。如果我们现在就着手进行，那么在大约15年内，第一座这样的快中子反应堆就可能投入实际运行。值得注意的是，这一日程安排相当适合把烧过的热堆燃料装运到亚卡山的预计时刻表，相反，它可能被送去进行再循环，以成为快中子反应堆燃料。随着现今热堆寿终正寝，它们可能被快中子反应堆替代。如果真的出现这种替代，那么几百年都再也不必开采铀矿石了，也不再需要进行铀浓缩。就极其长远的观点来看，快中子反应堆燃料的再循环可能如此之高效，因此当前可供使用的铀供应能够无限期地维持下去。

最近，印度和中国都已宣布打算通过部署快中子反应堆，以扩大其能源。我们了解印度和中国的第一批快中子反应堆将使用氧化物或碳化物燃料，而不使用金属燃料，这是一种次佳的途径，据推测，之所以作出这种选择，是因为PUREX回收技术成熟了，而高温冶金处理技术迄今为止尚未获得商业性验证。

美国不会很快完成对金属燃料的快中子反应堆和高温冶金处理系统的基础性研究。在可预见的未来时间内，毋庸置疑的事实是：只有核动力才能在保护环境的同时，满足人类对能源的长期需求。由于可持续的大规模核能生产将继续下去，因而核燃料的供应肯定会持续很长时间。这就意味着核动力循环必须具有ALMR和高温冶金处理的特征。沿着这条新路线走向合理的能源开发，现在似乎正当其时。