陈堃:探索核能安全之路
2013-06-26 16:37:49   来源:   评论:0 点击:

陈堃,1977年出生,2006年获美国印第安纳大学核物理专业博士学位;2007~2010年在美国阿贡国家实验室从事核临界安全和核辐射屏蔽研究;2010年11月至今,任中科院上海应用物理研究所研究员。
在年轻学者陈堃所走过的道路中,研究核安全是他曾经的选择,也是他今后毕力以从的追求。

日益紧迫的核能安全问题
中国是世界最大的发展中国家和世界第二大能源消费国,随着经济的高速发展,能源开发与环境保护之间的矛盾也日益突出。作为当今世界三大支柱能源之一,核能则在解决能源需求快速增长和低碳排放的矛盾上具有明显的优势,如核能发电不会造成空气污染,不会产生温室气体,核燃料体积小,运输与储存方便等。加速发展核电,不仅是满足我国能源发展需要的现实途径,也是解决我国能源环境污染、实现温室气体减排目标的重要途径。
然而,核能并不是百利无一害的,其安全性和核废料的处置两大问题一直备受关注。1986年,前苏联切尔诺贝利核爆炸;2012年,日本福岛核泄漏……几十年来,核事故造成的灾难,使核能安全利用研究愈发紧迫。正如瑞典核物理学家帕克金森所比喻的,“核能有些像马戏团里的猛兽,听话时让人感到其乐无穷,一旦失控,后果不堪设想。”
目前,中国核电发电量仅占全部发电量的2%,与14%的世界平均水平相差甚远。根据《国家核电中长期发展规划(2005-2020)》,到2020年,中国核电运行装机容量将达到4000万千瓦,占全部发电装机容量的4%,核电年发电量达到2600亿~2800亿千瓦时;到2050年,我国核电有望达到4亿千瓦,核电装机占电力总装机的16%,核发电量占总发电量的比重为24%。
在如此重大的发展规划面前,更要将安全隐患消弭于未然,防范核灾难再度发生。对此,我国科学界也一直非常重视。
“核物理更适合我的发展”
2001年,陈堃从中国科技大学物理系毕业后赴美国攻读硕士研究生。起初,他选择的并非核物理,而是生物物理,主要以蒙特卡罗的方法,计算细胞在肢体内的运动。但一两年后,陈堃遇到了很大的困惑,“我是做模型、计算分析的,从个性来讲更适合精确严谨的学科。从生物实验取得的数据,不确定性较大,难以用来分析建立模型到底是否可靠,也就是说,那只是一个描述性的模型,而非量化分析的模型。这不符合我的研究方向,也不是我的兴趣所在。相较之下,核物理则需要更加严谨的分析、更加扎实的基础,所以,我就转向了核物理。”
转型后的陈堃如鱼得水,曾参与低能中子源线站的建造,其间还去瑞士Paul Scherrer研究所做了一段时间中子成像研究。2006年从印第安纳大学毕业时,主修的博士学位就是核物理,辅修则为科学计算。毕业后不久,他去了美国阿贡国家实验室。在这家先进核反应堆系统和技术领先世界的实验室中,他主要从事核燃料运输和储存安全性的研究,具体研究内容是核临界安全和辐射屏蔽,完成的项目包括Handford铀钚混合氧化物(MOX)燃料元件运输安全性研究、运输和储存同位素Pu-238热源材料(此项目服务于核电池生产)、运输和储存低放射性固体废物、高浓缩铀的运输和储存。
经过多年的积累,陈堃不仅拥有从事中子和伽马输运及核临界安全分析的经验,还拥有丰富的中子和伽马能谱测量及探测器使用经验,熟悉国际原子能机构及美国核管会核燃料相关的安全法规,且具有核相关监控系统开发实践经验。近两年来,他专注于第四代反应堆之钍基熔盐堆的安全分析方法研究,内容涉及反应堆的安全设计、事故分析、辐射屏蔽计算、专设安全设施的建立等。
 

安全核能开发的新思路
2010年底,陈堃回国到中科院上海应用物理研究所任职。提及回国,陈堃说,是源于2009年中科院人教局李和风局长带队到芝加哥介绍中科院情况,其间提到了钍基熔盐堆项目。
那么,什么是钍基核燃堆系统呢?这先要从钍这个神秘的元素说起。科学家早在20世纪50年代至70年代就研究过钍元素,它作为核燃料应用有很多独特优点,如果拿它来发电,是铀和钚理想的替代品。据报道,一吨钍可以生产相当于200吨铀或350万吨煤的能源,而目前已知的钍储量至少可为世界提供1万年的能源消费,我国钍储量尤其丰富。令人兴奋之处还在于,如果与熔盐堆技术相结合,它在发电过程中可能产生远小于传统核电站的辐射垃圾。
使用钍铀核燃料循环的熔盐堆简称为钍基熔盐堆(TMSR)。TMSR瞄准未来20~30年后核能产业发展的需求,是第四代反应堆核能系统的六种候选堆型之一。相比目前主流核电技术——第三代反应堆,TMSR在工作原理与安全性能方面,有着卓越的优势。传统反应堆大多需要在高压下进行工作,而TMSR在常压下即可。不仅如此,TMSR是高温堆,具有较高的热电转换效率,可在上千度的高温下运行,可用于制氢等多种用途。当内部温度超过预定值,堆底部的冷冻阀会自动熔化,使得携带核燃料的冷却剂(氟化盐)会全部流入应急储存罐,反应堆会自动关闭,核反应也会即刻终止,剩余热将采用非能动的方式排出,从而避免如福岛核电站一般,出现在高温下发生堆芯熔化的可能。
对我国来说,选择TMSR还可以有效利用中国在钍资源储量上的优势,弥补铀矿缺乏的不足。中国铀储量很有限,且多是贫铀矿,但是钍储量却极为丰富,约为铀储量的6倍,分布在20多个省和地区。
各种因素之下,在我国发展TMSR具有非常重要的意义和良好的前景,陈堃回国便是受到了这个项目的吸引。

全身心投入TMSR工程
中国科学院的TMSR先导专项计划通过20年左右研发的第四代裂变反应堆核能系统——钍基熔盐堆核能系统,所有技术均达到中试水平,且拥有全部的知识产权。通过该项目,他们培养出一支规模千人以上、学科和技术门类齐全、年龄分布合理、整体居国际领先水平、具备工业化能力的钍基熔盐堆核能系统科技队伍。
到上海后,陈堃专门从事中科院先进核裂变能战略先导专项之钍基熔盐核能系统的工作,负责钍基熔盐反应堆安全分析方法研究。目前,他已开展了多个课题的研究,包括建立熔盐堆相关的事故分析方法,从始发事件的选取、事件序列、瞬态分析、损坏状态分类和源项导出入手,开展针对钍基盐堆的事故分析;进行熔盐堆辐射屏蔽的计算、分析和概念设计;开展核燃料临界案例分析、燃料的运输和贮存安全研究以及监控报警系统样机的研制;开展放射性废物的处理和处置工艺研究;研究和建立熔盐堆安全设计准则,编制研究堆初步安全分析报告等。经过不断努力,他先后主持完成了核安全分析方法、熔盐堆辐射屏蔽概念设计、放射性三废处理概念设计等技术报告;参与完成了2MW熔盐堆概念设计报告,主要负责其中的反应堆安全分析、专设安全设施设计等章节。
陈堃还主持参与组织部门实验室建设和团队建设。目前,已初步建立核事故分析实验室、临界安全监控系统开发实验室、放射性三废处理研究实验室、放射性核素迁移研究实验室;而部门也由建立之初的不足10人,迅速发展到近30人,并已建立较好的研究组织架构,分工明确。他利用过去在核工业界的工作经验,组织青年员工学习专业知识,并先后指导他们完成了熔盐堆安全分析方法研究、熔盐堆屏蔽概念设计、放射性废物处理工艺概念设计等技术报告。通过1年的努力,青年职工的专业水平有了相当大的提高,已可以独立开展部分研究工作。
目前,陈堃主要做的,一是与环境保护部门、安全部门进行讨论,获取许可证;二是与美国能源部合作。“过去中国与美国的合作是单向的,美国主要是输出,经过我们的努力与进步,现在有了双向交流的空间。”这是他极为自豪之处。

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