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中国负责的加纳微堆低浓化改造完成关键节点 为国际核不扩散作出新贡献

2016-07-27 22:30:37

据科学网报道,7月27日上午,加纳微堆(微型中子源反应堆)低浓铀堆芯在中国原子能科学研究院(简称原子能院)成功实现零功率实验首次临界。这是中国承担的加纳微堆低浓化改造项目中一个重要的里程碑节点,标志着该项目中方负责的所有技术准备工作均已完成,项目的关键步骤已经取得成功。

同时,这也是继我国在今年3月完成首座微堆高浓缩铀低浓化改造、实现满功率运行后,在践行国际承诺、推广减少高浓铀合作模式层面取得的又一项重大进展,也是中国为世界反核恐怖主义、加强国际核安保作出的实实在在的贡献。

中国目前是世界上唯一完全掌握微堆研究建造技术的国家。微堆不像传统的核反应堆,它没有散热塔,也没有高耸的烟囱,堆芯只有高压锅大小。在业内,微堆也被称“傻瓜堆”,因为它类似一个实验仪器,操作简单,但用途不少,能进行中子活化分析、核仪器探头的考验、教学及培训、少量同位素生产等。

 7月27日,来自国际原子能机构、中国国家原子能机构、美国能源部、加纳原子能委员会的官员以及尼日利亚、叙利亚、巴基斯坦和泰国等国专家共同见证实验临界成功。

图为原子能院研究人员在控制台前进行零功率实验操作。

“微堆低浓化目的是在不改变堆芯几何尺寸的前提下,将高浓铀堆芯燃料替换为低浓铀堆芯燃料。”原子能院堆工部主任杨红义介绍,转化后还需利用原有筒体装料运行。

协助加纳实现微堆低浓化改造是我国政府落实第四届核安全峰会上习近平总书记提出的“五大倡议”及《中美联合声明》重要行动之一。中核集团总工程师雷增光表示,中核集团高度重视加纳微堆低浓化项目,希望通过加强国际间紧密合作尽早完成项目。未来,中核集团将会为促进更广泛的和平利用核能贡献更大的力量。

该实验首次临界的成功,是践行中国政府对加纳微堆低浓化改造项目的承诺,体现了各国在核不扩散领域积极开展国际间合作的精神。“加纳模式”也将为后续微堆低浓化以及核不扩散国际间合作提供重要的经验。

加纳微堆是中国原子能科学研究院于1995年通过国际原子能机构技术合作项目为加纳设计、建造的该国第一座研究堆,采用高浓铀为燃料,其建成为加纳核技术人员的培训等工作发挥了积极作用。

2013年,经国际原子能机构(IAEA)、美国能源部(DOE)、加纳和中国协商一致,由中国牵头承担对加纳微堆进行低浓化燃料改造。自2015年签署正式合同开始,中国原子能科学研究院就开始了加纳微堆的低浓化改造工作。

开展微堆燃料低浓化工作,既符合我国核不扩散的国际政策,也能更有效地防止核扩散,并能在国内外推广微堆方面起到积极作用。

中国掌握微堆低浓化的全套技术

微堆离我们的生活并不远。微堆是一种小型、低功率、固有安全性好、容易操作的反应堆装置,可以建设在大中城市人口稠密的大学、科研单位等,能够广泛应用于中子活化分析、放射性同位素制备、教学培训、反应堆物理实验及仪器考验。

瑞士洛桑的一座实验型微堆

“从1984年至今,我们利用微堆分析的样品多种多样,上至天文、下至地理,涉及地质学、地球化学、生命科学等众多学科。”原子能院微堆室主任李义国说,分析结果为不少研究提供了科学依据。

我国的微堆研究建造可追溯到上世纪70年代末、80年代初。经过多种物理设计方案的理论计算和零功率实验验证,1984年3月,原子能院自主开发设计建造的我国第一座微堆顺利建成并投入满功率运行。

此后,该院为国内外用户设计和建造了9座商用微堆,其中5座出口到了巴基斯坦、伊朗、加纳、叙利亚、尼日利亚,加纳微堆于1995年建成。这些微堆已累计安全运行超过100堆·年,为国家创造了巨大的经济效益。

“过去,我们微堆使用武器级的高浓铀作为燃料。燃料棒一旦流失,就可能造成核材料扩散的威胁。”李义国解释,由于所用燃料的特殊性,微堆在推广中一直受到限制。

受国际大环境等多因素影响,国际原子能机构(IAEA)多次提出,希望微堆燃料实施低浓铀转化。

今年3月,经过5年攻关,该研究院成功对中国首座微堆——原型微堆实施了低浓化改造,并实现首次满功率运行。这是继核安保示范中心建成运行后,我国在核安保领域取得的又一重要成绩,也是中美核安保合作的重大成果,被写入《中美核安全合作联合声明》。


3月26日,我国首座微堆圆满完成低浓化改造,实现首次满功率运行

原子能院的原型微堆的每一根燃料元件的直径仅有5毫米,换言之只有约5张纸的厚度,每两根元件间隙只有5.48毫米,这些燃料元件被放置在实验用的“鸟笼架”内。“鸟笼架”是直径240毫米、高270毫米的狭小空间,也就是该堆的堆芯。

微堆低浓化改造,是降低高浓铀流失风险、提升核安保水平的有力举措,也是中美核安保领域合作的重要内容。国家原子能机构将本着自愿、务实的原则,与其他国家分享低浓化改造技术经验,协商开展类似改造项目,全面提升全球核安保水平。

2011年底,中国国家原子能机构批准中国原子能科学研究院与美国能源部阿贡实验室合作,对原子能院微堆进行低浓化改造,卸出微堆高浓铀堆芯,装入低浓铀燃料堆芯。

微堆低浓化改造涉及堆芯物理设计、结构设计、燃料组件设计制造、装卸料、乏燃料管理、反应堆实验调试等诸多环节。改造过程中,工程技术人员攻克了一批关键技术,确保了微堆的核安全。

“最难的是堆芯设计。”李义国说,“由于低浓铀堆芯的燃料芯体和包壳材料与之前的不同,其热工、物理性能等也均有较大不同,须重新进行物理、热工和结构设计,且只能在原有小尺寸的堆芯空间内做出合理调整,设计难度大大增加。”

2014年年3月4日,中国原子能科学研究院在微型反应堆临界装置上开展低浓铀净堆首次临界实验,并安全达到临界,这标志着微堆燃料富集度从原先的90%降至12.5%是成功的,微堆低浓化工作由此进入全面实施阶段。

据介绍,该堆的主要用途包括中子活化分析、核仪器探头的考验、教学及培训、少量同位素生产等。改造后的微堆固有安全性更高,一次装料可运行30年。

中核集团董事长孙勤认为,首座微堆低浓化后首次满功率运行意味着原子能院已完全掌握了微堆低浓化的全套技术。

延伸阅读:

微堆具体能用来干啥?

2008年,“长相”精致的微堆曾经展示大“威力”,它与央视、清西陵及北京市法医检验鉴定中心等共同揭开了困扰史学界的百年谜案——清光绪帝之死因。

该专题研究由光绪帝遗物发辫入手,历时五年,利用微堆中子活化分析技术测试了发辫中砷的含量,并结合其他技术手段,经科学研究分析测算表明光绪的头发截段和衣物上含有剧毒砒霜,而其腐败尸体仅沾染在部分衣物和头发上的砒霜总量就已高达约201毫克。

清光绪帝头发As的分析

清光绪帝衣物

光绪死因的确证,被认为是运用现代科学技术和侦察思维解决历史疑难问题的成功尝试,开辟了学术文化研究的新路径。

因为具有小型化、易操作、功率低、固有安全性好等优点,在大中城市人口稠密的大学和研究机构内,不乏微堆身影。

在改革开放前沿深圳,原子能院帮助深圳大学设计建造的微堆已安全运行28年,这也是目前我国尚在运行的唯一商用微堆。与原子能院的原型微堆相比,二者的差别是堆芯尺寸、燃料元件尺寸。

深圳微堆建成后,利用中子活化法填补了深圳微量元素质检方面的某些空白。

当时,随着珠三角现代工农业的迅猛发展,大量人工合成有机化合物被引入到自然环境中,包括一系列有机卤素污染物,这些卤素污染物有致癌、致畸、致突变的风险。借助微堆,深圳较早就对本市的大气和土壤环境进行检测,实时掌握深圳大气和土壤中的污染程度,并及时采取措施。

因为不会对样品产生破坏,原子能院曾协助有关单位,对膳食中的元素含量进行过多次调查研究及卫生学评价。

多年前,原子能院高级工程师王珂就和团队分析测定了我国南北方78例正常成年人甲状腺含量,发现有地区差异,女性略高于男性,这为评价碘对人体的健康影响提供了背景材料。

“微堆低浓化后应用更为广泛,比如可应用到与百姓关系更加密切的治疗癌症的医疗装置中。”中国工程院院士周永茂如此预测微堆前景。

观察者网综合科学网、光明网、科技日报、中核集团官方微信等报道

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屿嶓_EDM解读:
中国这项技术首先用于加纳很有示范意义。加纳是非洲刚摘掉低收入帽子的中等偏下穷国。这就意味着加纳可以用的,绝大多数国家也可以用,也就是推广前景广阔。也正因为广阔,更表明中国这项技术为国际核不扩散作出的贡献巨大。

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来源:观察者网 | 责任编辑:梁福龙
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