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全力以赴做好核数据开发,推动未来核能可持续发展——专访叶奇蓁院士

2020-08-17 13:38  来源:中国核电    核电  核电高质量  叶奇蓁  核能发电  核能利用

自人类认识核能以来 , 全球范围内 核能 发展就与核数据研究 开发密切相关。核数据作 为连接 核物理基础研究与核工程及核技术应用的桥梁,在反应堆设计、同位素生产、核医学、核燃料循环等方面起着非常关键的作用。


自人类认识核能以来 , 全球范围内 核能 发展就与核数据研究 开发密切相关。核数据作 为连接 核物理基础研究与核工程及核技术应用的桥梁,在反应堆设计、同位素生产、核医学、核燃料循环等方面起着非常关键的作用。在地球资源利用、气候环境保护等大背景挑战加剧的情况下,人类对核能的需求日益增 长,为保障核能可持续发展,尤其在第三代和第四代反应堆为代表的新一代核能系统成为主流的态势下,全球对核数据数量、质量以及种类的需求都提升到了新的高度。核数据研究与核能发展之间的关系到底怎 样,未来又该怎样发展核数据研究?《中国核电》专程采访了中国工程院院士叶奇蔡。

叶奇蔡   中国工程院院士,核反应堆及核电工程专家,现任中国核工业集团有限公司科技委副主 任。在核反应堆及核电工程等方面取得卓越成   绩, 1 988 年起, 先后在国 家核 安 全局 专 家 委 员会、中国核动力学会、中国国际工程咨询公司专 家委员会、国防科学技术工业委员会专家咨询委  员 会兼 任委 员、 常务理 事等 职。1990 年被授 予享受国务院特殊津贴的有突出贡献的专家。

发展核能是未来大势所趋

记者:核数据研究是全球核工作者面临的共同课题,对千世界核能未来发展有着重要的意义和作用,您能对核数据的概念做个简单科普吗?

叶奇募:简单的说,核数据是指核反应过程中产生的相关物理数据。包括裂变产额、激发函数、衰变数据、次级中子双微分截面和微分截面、伽玛产生截面、裂变截面、 (n, x ) 反应截面、积分数据及原子分子数据等。核科学研究、核设施建设以及核技术应用都离不开核数据。核数据精度与可靠性直接关系着各种与核相关的装置和产品的有效性、安全性和经济性。

作为核科学技术与原子能开发利用的基础, 核数据一方面广泛应用于物质结构、天体物理研究,对探索宇宙奥秘有着重要意义,另一方面也广泛应用于反应堆设计、核燃料循环、同位素生产等领域,对促进经济社会发展发挥着重要作用。因此开展核数据研究意义重大。

记者:之所以要做核数据研究,也是世界范围内能源需求的发展趋势决定的,请您对核能 在未来人类能源需求的重要性先做一下介绍。

叶奇蔡:自人类诞生之日起,地球的资源就被人类大量开发利用,随着人类文明的高度发展,人类对能源的需求一直在高速增长,人类自身繁荣发展与地球资源及环境保护的矛盾也越来越突出。但能源需求在未来继续保持长期的增长是无法避免的,并且主要是电力需求。在这种态势 下,为了尽量减少资源破坏和环境污染,今后儿十年内世界能源结构也将发生重大变化,进入油、气、煤、可再生能源、核能五方能源结构多元化格局,其中,核能在缓解人类发展和保护地球的矛盾上又扮演着重要角色。

为什么这么说呢,这是核能的自然属性决定的,核能作为人类历史上的一项伟大发现,是人类最具希望的未来能源之一,核能既能够提供大扯电力,同时又具有消耗资源少、每千瓦发电量排放的温室气体少、土地占用量相对较低等优势,在资源使用和环境保护上,核电更具备其他能源没有的很多优势,不像使用化石燃料的能源一样会排放大量的空气污染物、固体纳米或微粒子。核电站及核燃料循环设施在其全生命周期活动中每年排放的 二氧化碳 仅为煤 炭链的 1 % , 也低千太阳能和风能链。目前,人类活动导致的气候变化已经成为人类面临的最困难的挑战之一,空气污染已成为许多国家的严峻问题,核电几乎无排放的特性是一项至关重要的优势。在全球变暖的背景下,这一特点使其成为独特的电力 来源。

另外,核电需要的土地面积相对较少,占用资源较低。核能生产也具有足够的灵活性,可用千补偿大部分间歇性可再生能源。这已经足够体现核能的独特优势。

当前严峻的全球气候变化趋势,已经让全世界 20 多个国家不得不联合签署《巴黎气候变化协定》并共同做出脱碳承诺,这也使得核能发展 成为未来 的趋势。中国千 2016 年 9 月 3 日 加入《巴黎气候 变化协定》, 成为第 23 个完成批准协定的缔约方。根据《巴黎气候变化协定》,各缔 约方承诺,在工业化前水平上,要把全球平均气 温升幅控 制在 2 °C以内, 并提出 努力将气温升幅限制在 1. 5 °C以内的目标。核能作为一种安全、清洁的低碳能源,是各国实现气候目标以及可持 续发展的重要因素。可以毫不夸张地说,核能是 解决环境变化问题的最有效的方法之一,是能源 过渡中最适当的能源之一,没有核能,很难实现 温室气体减排的目标。

目前, 全球 16 个国家在很大程度上依赖于核电, 其核电占比超过本 国电 力供给的 1 / 5。在欧洲, 29 个国家(欧 盟 27 国十英 国十瑞士) 中有 15 个国家拥有核电, 共有 132 个核电机组, 占 总发电量的 27 % , 贡献一半的低碳电源。中国的核电发展也非 常迅速, 计划到 2020 年核电装机容量达到在运 58 GW, 在建 30 GW, 规模居全球第一,作为绿色能源的支柱,核电是中国 能源结构调整的重大战略选择。由此可见,核能 已成为大势所趋。

记者:核能可持续发展如此重要,核数据研究也显得如此关键。在具体介绍核数据之前, 请您谈谈对核能可持续发展的一些前提和保障。

叶奇蔡:首先,环境保护的要求客观上促进了核能可持续发展。但环保对核能可持续发展提出的要求是多方面的,这个问题比较复杂,我简单归纳为以下三点:一是可持续的核能必须是安全的、有经济竞争力的,并且对环境是友好的;二是在实际操作中需要审查核电站的环境影响,并同时考虑核电站和核燃料循环设施的运行;三是需要仔细审查定期从反应堆排放的乏燃料的管理、贮存,可能的后处理和放射性废物的最终处置。

另外,核能利用可能对环境所造成的不利影响也需要进行评估。正常条件下,核能对环境的影响是有据可查的,而且环境中放射性核素浓度是很容易测扯的,此类设施可以进行独立监控。这方面我也可以负责任地说,在正常运行条件下,核电站的放射性影响是微乎其微的,或者说是非常有限的,过去人们为什么谈核色变,还是需要科普,让人们消除一些误解,凡事皆有利 弊,只要认识的深入了,就能做出正确选择。

即便如此,全球在核能发展尤其是安全和环 境上的态度还是慎之又慎,相关研究也一直没有 停过。201 7 年,中 国工程院、法国国家技术院、法国科学院开展合 作项目, 在 I AE A 大会联合发布了《关千核能未来的联合建议》,介绍了核能 发展进程,分析了核能在安全性上面临的挑战, 并提出了一些可能的解决 措施。2018 年,中 法两国三院启动二期项目,围绕《核能与环境》主 题共同开展了顶层战略研究。二期报告更具体地 讨论了核能循环对环境的影响,以响应社会对所 有人类活动应考虑环境问题的强烈期望。因为历 史上客观发生过的一些核安全事件原因,公众对 核电存在长期担忧,本次报告作出了比较积极的 响应和解答。

二期报告更具体地讨论了从铀矿开采到放射性废物处理的整个流程中,核能对环境的影响问题,尤其就核电相关四大环境问题展开聚焦。其一是核设施正常运行时放射性释放的评估和控制;其二是存在长期放射性释放的乏燃料和核废物的管理;其三是严重核事故及其放射性释放的管理,其四是加强核安全,限制核能对环境的负面影响,从而有助于公众接受核能。

基于安全分析和环境影响评估,二期报告还对核设施允许排放所致人的剂量水平进行了量化规定,要求必须低千法规允许值。并且规定,国家法规至少要与 IAE A 的要求相一致。法规 越来越严格的好处是显而易见的,流出物排放限值越来越低,使得去污处理技术持续进步,这将有利于核能可持续发展。

对千人们比较担心的现实核电站安全水平, 也有专门课题研究执行并完成。研究表明,对严重事故的全面保护和缓解措施,提高了第三代反应堆的安全水平,第三代反应堆配备了先进的大型安全壳,能够抵御外部危害并保持完整性,从而避免放射物释放至周围环境;在实际运行中,经验反馈推动了现有核电厂升级和新反应堆设计改进,以及由核电厂运营商实施的安全指南改进,大大降低了核事故发生的可能性。

但研究工作又继续深入,评估从铀矿开采到放射性废物处理的全过程中,正常或事故情况下对全球和当地的短期和长期环境影响,其中还考虑了对人类和生态系统的影响。通过总结经验教训,总结可持续地改善环境保护已采取或可能采取的各种行动方案等,对这个角度的环境安全作出了解答。

最终我们得出的结论是,第三代核电站及其相关设施,以及未来第四代核电站将可能减少环境影响。要尽最大努力开发可靠、有成效的先进核能系统,这取决于开展设计和安全评估该类系统所需的高水平模拟能力,以及诠释用于性能和安全评价的关键基准实验的能力。其中,高质量的核数据,特别是先进反应堆和核燃料循环中描述核反应的完整和准确信息,是上述模拟能力的必要组成部分,这也是核数据研究为什么重要的根本原因。

记者:如您所说,核数据是开发可靠、有成效的先进核能系统非常关键的一个方面,这个意义是如何具体体现出来的呢?目前核数据研究在全球是怎样一个现状呢,核数据改进的必要性又体现在哪些方面?

叶奇臻:核数据研究是随着全球核能事业的不断深入而凸显其重要性的。可以说核科学研究、核设施建设以及核技术应用都离不开核数据。尤其随着新一代核能系统,比如仕基熔岩堆、钠冷快堆、高温气冷堆和加速器驱动次临界洁净核能系统 ( ADS) 和聚变装 置等新 型研究 项目在世界及我国范围内不断开展和深入,核能界对核数据数量、质量以及种类的需求也都提升到了新高度。

为什么这么说呢,因为核数据是核科学技术与原子能开发利用的基础,广泛应用于天体物理研究、反应堆设计、核燃料循环和同位素生产等领域,核数据精度与可靠性直接关系着各种与核相关的装置与产品的有效性、安全性和经济性。其实核数据研究和改进的目的一样,主要益处在千能降低开发和操作核反应堆的成本,基于精确的核数据,可在保证充分的安全标准的同时,以有成效的方式设计高效的核能系统。

正因为核数据在核事业发展中特殊而重要的地位,国际上不少国家都在做核数据研究。这个 过程可以上溯到 20 世纪 40 年代, 从那时开始, 美国、苏联、欧盟以及国际原子能机构核数据科 先后于 20 世纪 60 年代成立了中子核数据中心, 开展核数据评价和建库工作。目前,欧盟的CANDIDE 项目中已经 研究了核能可持 续发展和废物管理对核数据需求。我国自 20 世纪 50 年代开始核数据研究, 并于 1975 年建立了国家核数据中心 , 核数据重点实验室于 2010 年正式 运行 。经过几十年发展,我国目前已形成全国核数据工作协作网,期间完成了多期重大国家核数据研究任务,填补了核数据研究工作的多项空白,形成了一套具有自主知识产权的研究体系,目前已建成包含核数据测量、评价、建库以及应用检验的一整套研究平台,形成了自己的评价核数据库CCENDL), 该库已成为国际公认的五大中子评价数据库之一,中国核数据中心也已成为国际五大核数据中心之一。

鉴千核数据研究的重要性,更鉴于其中的核裂变数据在我国的研究还有不足,我国还于2018 年 2 月启动了核数据研究领域自然科学基金项目,首个国家自然科学基金重大项目是"铜核裂变数据关键科学问题研究“,围绕裂变过裂变数据核心关键问题开展实验测量、理论 实践?模型两方面研究,为今后我国核数据测量在实验平台和方法方面提供重要支撑,为建立具有我国 自主特色的裂变理论模型与计算系统奠定基础, 填补了我国在裂变核数据研究上的不足。那么裂变核数据又是怎么一回事呢?裂变核数据是描述 核子与裂变核发生相互作用规律的重要表征,是 压水堆、快堆、高温堆以及 ADS 等先进核 能系统研发以及核装置精密化研究的重要基础。由于 核裂变的复杂性,到目前为止,裂变仍然是核物 理研究最具基础性、前沿性的课题之一。国际上对核裂变数据茧础研究非常重视,投入了大量人 力、物力,发展初一代中子源,并建立了大型、 高精度的探测设备;国内虽开展了一些裂变基础实验与模型理论研究,但相关实验设备、理论水 平、人才队伍与国外仍存在差距,严重制约了我国裂变数据与裂变基础研究水平的提升,因此迫切需要加强投入与研究。

再说说核数据改进的迫切性和必要性。核工业对当前的设计工具和核数据的信心主要是建立在成功设计和运行的热谱二代核电站的基础上,但这与当前提出的第四代核电站主要采用快中子堆,对核数据准确度的需求在中子能区、材料种类等维度与热堆有很大的不同,我们必须充分意识到当前核数据库的准确度尚不能满足开发第四代核电站的需求,此外,对核安全要求的提高,也相应地提高了对核设计和安全分析不确定度评估的要求。新一代核设计不确定度的分析要求更高,不仅需要基于新开发设计软件及准确的核数据库,还需要基于经过科学评价的核数据不确定度,以上原因就是核数据改进的必要性之所在。总的来说,就是符合核能可持续发展的新型核能系统研发急盼核数据实现改进和“升级”。

全球核数据开发正有效促进核能可持续发展

记者:面对核能可持续发展的迫切需求, 核数据如此重要,那么全球范围内人们在核数据系的研究、改进和开发方面又都做了哪些努力和程与实践?

叶奇藻:核能可持续发展既然是大势所向,那么能让其平稳安全高效发展的核数据工作当然也得 与时俱进。全世界的核能工作者们对此都开展了 深入研究和实 践。例如欧 盟的 CA NDIDE 项目, 其已经对核能可持续发展和废物管理对核数据的 需求做了研究,该项目就核能可持续发展和核数据开发提出了一些结论和建议,值得我们共同 借鉴。

CA ND IDE 项目认 为, 应将提供现代化核 数据评价作为一个长期承诺,同时确保改进的核数据库能够便捷地在核技术和设计中得到应用,包括开发积分检验与灵敏度研究的系统途径;还要求提供和支持有能力开展核探测的设施,鼓励先进核反应堆关注的关键核反应的高水平测量;同时提供先进核模型开发能力,以优先满足在缺乏验设施或模型计算条件下具有更好性价比的需求;该项目还建议将核数据开发项目作为一个长 期投资,这些说法都很可贵,值得我们反复揣摩和思考总结。

此外, 美国2 0 1 8 年3 月2 8 日出版的《核数据路线罔和改进研讨会文集》中提出的一些观点也同样值得我们借鉴, 其中的部分观点与CA N -D I D E 项目的观点相似, 另外该文集还提出核数研究和开发的四个实践方向, 第一, 所有核数据工作要以建立数据库并到达最终用户为目标;第二, 生产力开发和设备维护对于保障核数据长期改进非常重要; 第三, 新的核数据测量和评价工作应集成到一个国家项目中; 第四, 正在开展的事业需要实验室和大学的共同协作, 最大化各家单位的力量。这四条总结对于核数据工作的开展也具有指导意义。

最新的第四代核电站相关核数据研发现状又如何呢, 首先, 全球对于第四代堆研发都有相同核数据需求, 无论美国、欧洲还是中国, 这一点是一样的。共同的核数据需求又可以概括为以下四个方面:

一是针对临界和次临界反应堆, 改进锕系和次锕系核素在快区和超热能区的截面; 二是高燃耗系统需要额外和准确度更好的核数据;三是改进结构材料和冷却剂的快中子区核数据,四是需要所有核素中子核反应、裂变产额、伽玛产生、伽玛相互作用和裂变产物衰变性质的更准确和完整的协方差数据。可以说, 全球对四代堆研发的数据需求高度一致而又迫切。我国未来要建成世界上规模最大的核能电站系统, 因此针对第四代研发在核数据上的实践探索也一直在紧锣密鼓地进行。截至目前, 我国取得了一些阶段性的成就, 呈现出六个方面的现状特征, 这里不妨简单的做下介绍。

一是中国已经旗帜鲜明地确定了发展基于快堆的核燃料闭式循环体系的政策; 二是中国正在开展多种第四代核能系统候选核反应堆的研发,其中的高温气冷堆示范工程预计明年在山东省建成; 三是中国钠冷示范快堆( C F R ) 的示范工程正在福建省开工建造, 计划2 0 2 3 年完成; 四是中国还在开展钍基熔盐堆的研究; 五是中国的核能可持续发展与国际上面临相同的核数据需求;最后一点就是中国正在开展并将继续支持开展核数据研究, 以此来支撑新型核反应堆的研发。可以说一切都在既定方向上有条不紊地行进. 假以时日, 我相信我们的核数据实践和探索一定会取得辉煌成就。

回过头来总结今天我说的, 无非就几个方面: 第一个方面, 核能作为一种安全、清洁的低碳能源, 是各国实现气候目标以及支持可持续发展的重要要素。为应对未来气候环境挑战, 优化能源结构, 人类对核能的需求必然日益增长, 核能必须也一定能实现可持续发展。这一点上, 包括我国在内的全球核能事业都取得了举世瞩目的成就。第二个方面, 核能可持续发展需要核数据的可持续发展和支撑, 核数据的开发是一项需要长期投资的任务, 需要国际社会的共同努力。第三个方面, 第三代核电站及其相关设施, 以及未来的第四代核电站将可能减少环境影响, 这有助于核能的可持续发展, 但相关的核数据研究、改进与开发也必须与时俱进, 跟上时代发展步伐,总结成一句话就是: 核能持续发展与核数据开发密切相关, 后者对于前者的促进和实现具有非常重要的作用和意义, 无论如何, 我们必须全力以赴, 这样才能共创核电发展美好未来。




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