永为有益之事——先进核燃料循环技术研发


核能作为一种绿色、经济、安全的清洁能源,在我国能源供应体系中的占比逐年提高,核电技术和建设水平也不断取得突破。核能发展需要建设配套的核燃料循环体系,其中先进核燃料循环技术是国际核能领域最前沿和热门的“卡脖子”技术。

在上世纪五六十年代我国核工业的初创时期,一批平均年龄23岁半的清华师生就扎根200号(清华大学核研院代号),秉承“爱国奉献,追求卓越”的清华精神,为服务国家重大战略需求而努力创新、奋勇攻关。建院初期,核化学化工的师生就坚定选择先进方向,在国内率先开展了“溶剂萃取法核燃料后处理”技术的研发,为我国“两弹一艇”事业做出了重大贡献。

建院六十年来,核化学化工师生坚持基础研究与服务国家重大战略需求并重的科研指导方针,致力于我国先进核燃料循环技术的不断创新,逐步形成自己的学科特色,在基础研究、技术开发、人才培养等方面都取得了突出的成绩。

在我国核燃料循环产业中,乏燃料后处理、放射性废物的处理处置等是显著的短板,已经成为制约整个核工业发展的关键瓶颈之一。先进核燃料循环,是二十一世纪先进核能系统研发过程中的关键技术之一。它在传统后处理再循环的基础上,进一步回收乏燃料中长寿命次要锕系元素并进行嬗变利用。不仅可以使铀资源得到更充分的利用,也可以大大减少放射性废物的长期危害,被国际上公认为是从根本上解决放射性废物“万年无解”问题的答案,是国际核能领域最前沿和热门的研究方向之一。但是,由于先进核燃料循环领域涉及到的对象更为复杂、分离要求更高、工艺和设备的难度更大,这些工作也需要更多的开拓创新和锲而不舍的坚持。

在传统的后处理过程中,长寿命次要锕系元素都集中在后处理产生的高放废液中。所以,我们第一步的研究工作是从研究“高放废液分离”开始的,这方面的工作最早可以追溯到上世纪80年代前后。在朱永JUN院士领导下,我们提出了具有我国完全自主知识产权的“TRPO高放废液分离流程”。1992年前后,德国超铀所使用真实的高放废液对当时国际上提出的各种高放废液分离流程进行验证和比对。结果表明,我国的“TRPO高放废液分离流程”与法国CEA的DIAMEX流程结果最好,被认为是最具应用前景的两个流程。

但是,在高放废液分离的研究过程中,我们也发现了高放废液中存在的大量三价镧系元素始终与次要锕系元素共存,使得后续无法对次要锕系元素进行嬗变。由此促成我们去挑战一个难度更大的研究方向——“三价锕系镧系元素分离”,该课题被国际上公认为是锕系元素分离化学领域最困难的问题。1996年,朱永JUN院士领导博士生陈靖等完成了二(2,4,4-三甲基戊基)二硫代膦酸萃取分离镅与镧系元素的研究工作,取得了国际上该领域前所未有的优秀分离效果。

我们也努力探索科研成果向工程技术的转化。在工艺方面,整合“高放废液TRPO分离流程”、“三价锕系镧系元素分离”、“冠醚萃取锶、铯”等研究成果,研发形成了“高放废液全分离流程”。从“九五”期间开始,在科技部、国家国防科工局等多部门的支持下,多次使用不同组成的真实高放废液对“高放废液全分离流程”进行了热验证试验。在设备方面,对乏燃料后处理、高放废液分离领域的专用关键设备开展了系统的研发工作,形成了以“核用离心萃取器”、“脉冲萃取柱”、“混合澄清槽”为代表的多项核化工装备研发成果,为满足未来工程化应用的需要打下了基础。

从2018年开始,国家开始大规模启动实施“后处理科研专项”。核研院核化学化工团队以副总设计师单位身份承担了其中多个重要研究课题,深耕多年的先进核燃料循环领域分离技术迎来了新的发展契机和用武之地。我们坚信,随着科研工作的不断深化和与行业内院所、企业的大力协同,我们在先进核燃料循环领域的科技攻关会不断取得创新性成果,可以为满足国家重大需求、解决制约我国核能事业发展的“卡脖子”技术问题做出重大贡献,为回应人民对美好生活的向往再干一件有益之事!

供稿:核研院201研究室

编辑:李华山

审核:程曦

专题链接:
2020年09月17日 11:08:08  清华新闻网

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