以核強國中華情 厚德載物清華風——訪清華大學核能與新能源技術研究院陳靖研究員

本刊記者 高 彤 毛艷玲

以核強國中華情 厚德載物清華風
——訪清華大學核能與新能源技術研究院陳靖研究員

本刊記者 高 彤 毛艷玲

專家簡介：

陳靖博士，現任清華大學研究員，博士生導師。多年來在核燃料循環領域從事溶劑萃取技術等相關的教學和科研工作，近十年在所負責的高放廢液分離研究工作中取得多項研究成果。博士論文于1999年被評為全國首屆百篇優秀博士論文；2001年獲得中國青年科技獎；2002年獲國防科技三等獎；2003年被評為教育部跨世紀優秀人才；2004年獲教育部霍英東青年教師一等獎；2007年獲得高校科技進步二等獎；2008、2009年分別獲國防科技二等獎。發表論文130多篇，50多篇被SCI收錄。申請發明專利30多項，20多項獲授權。

說起“核”，很多人會想到核武器，想到威力巨大的原子彈，想到當今世界政治焦點之一的核問題……很多人將其視為威脅世界和平與安全的“魔鬼”。然而與此同時，人們也清楚地認識到，核反應產生的巨大能量，能夠為日益緊張的能源和環境問題的解決帶來無限希望。是利是弊，關鍵就在于能否安全有效地控制和利用好它。

清華大學核能與新能源技術研究院陳靖教授所在的研究團隊，便是這樣一個與“魔鬼”打交道的團隊，他們竭盡全力，眾志成城，為我國核能技術的發展和利用貢獻自己的力量。

高放廢液處理——核能可持續發展的關鍵

核燃料循環，是一個軍民兩用的高度敏感行業，是支撐我國核大國地位不可缺少的部分。隨著我國國民經濟的高速發展，能源、資源和環境問題越來越突出，加上二氧化碳減排的巨大壓力，大規模發展核電成為大勢所趨。

然而，發展核電必然產生大量乏燃料，對乏燃料的后處理，也必然產生大量的高放（放射性）廢液。高放廢液集中了乏燃料中95%以上的放射性元素，主要包括毒性大的超鈾錒系元素、長壽命裂變產物以及強放射性的鍶－90和銫－137，它們對地球環境和人類社會的安全構成很大的威脅。

“放射性廢物是核反應中產生的。‘東西好吃，刷鍋洗碗處理垃圾卻很難’。”陳靖說道，“目前，高放廢液的安全處理和處置是一個世界性難題，并已成為制約核能可持續發展的關鍵因素之一。在我國，由于歷史原因遺留了一些高放廢液，這些高放廢液的處理和處置是一個很緊迫的問題，而且由于其敏感性，相關技術必須主要靠自主研發。”

在國際上，目前已有的成熟做法是將高放廢液進行玻璃固化，把固化玻璃塊放到與生物圈隔離的深地質層處置庫，使其相對吸入毒性在幾十萬年后達到天然鈾水平。然而，高放廢液玻璃固化操作以及深地層處置庫的建造維護費用非常高，世界上還沒有建成一個處置庫。另外，對處置庫的安全要求達到幾十萬年，這種長期風險也是公眾難以接受的。

在這樣的背景下，提出了一種更科學、更先進的處理方法，那就是“分離－嬗變”的思路，即采用化學分離技術從高放廢液中高選擇性分離超鈾元素和長壽命裂變產物，再用反應堆或加速器將其嬗變成短壽命或穩定核素。通過這種方法，可從根本上減少放射性的長期危害。目前核大國和核電大國都在積極研發這一項先進的技術。

然而，要讓“嬗變”成為現實，有一個前提必須實現：高放廢液的有效分離。針對這一前提，清華大學核能與新能源技術研究院（核研院）已經整整努力了三十年。

眾志成城，攻克技術難關

位于北京北郊的昌平區虎峪村，地處燕山腳下，風景秀麗。核研院就坐落在那里。

早在上世紀70年代末80年代初，核研院便開始了高放廢液分離技術研究。為了這份事業，清華大學核研院幾代人前赴后繼地投入其中，朱永院士領銜提出了具有自主知識產權和世界先進水平的混合三烷基氧膦（TRPO）從高放廢液中分離錒系元素的流程，并發展為可以分離高放廢液中錒系、鍶和銫的高放廢液全分離流程等眾多先進技術。

1996年，剛剛在核研院朱永 院士指導下取得博士學位的陳靖，也開始投入到前輩們已經奮斗了十幾年的“高放廢液萃取分離研究工作”中去。“十五”以來，他開始全面負責高放廢液萃取分離研究工作，期間他在國家“863”計劃經費和國防科工委專項經費的共同支持下，帶領研究團隊開展了XXX高放廢液分離技術流程優化和設備流程臺架試驗研究工作，并取得了卓著成效。

他們在國際上率先集成了高放廢液全分離技術，設計并建立了中間規模高放廢液分離技術設備流程臺架；采用免維修、遠程可控吹氣測量技術結合自主研發的吹氣探頭解決了強放射性環境下脈沖萃取柱參數在線測控技術難題，并以此建立了基于Profibus現場總線控制的高放廢液全分離技術全數字化測控系統；采用優化轉鼓內結構及獨特的進出口設置方案解決了我國核用離心萃取器首次規模化應用中遇到的相夾帶、乳化以及一級停轉后級聯不受破壞等技術問題，進一步增強了核用離心萃取器運行的穩定性和可靠性；在完成工藝參數和操作參數優化的基礎上，成功完成了72小時以上的聯動傳質試驗，結果完全滿足將高放廢液轉化為容易處理的低中放廢液的技術要求；此外，他們還提出了完整的分離處理我國遺留高放廢液工程應用的工藝流程，確定了流程參數，推薦了主要設備的選型、設計和運行參考數據。

清華大學核研院高放廢液分離技術研究團隊（左起五為：朱永 院士，左起六：陳靖）

這個項目完成后，陳靖等人來不及休息，又在國防科工委局的支持下，趕緊投入到了“XXX高放廢液分離技術工程應用前期研究”的工作中去了。項目主要內容包括研制具有放射性密封功能的核用離心萃取器工程樣機以及在微型離心萃取器臺架上采用已提出的分離流程完成120小時以上處理真實高放廢液的連續穩定熱驗證實驗。

在前一個項目的研究基礎上，陳靖與研究團隊展開密切合作，共迎新的挑戰。他們完成了具備α放射性密封功能的核用離心萃取器工程樣機的研制工作；建立了國際上級數最多、最緊湊的微型離心萃取器熱實驗臺架；完成了199小時連續處理我國真實高放廢液的熱運行實驗（放射性共300居里），其中包括120小時連續穩定運行實驗以及30小時TRPO萃取劑直接復用實驗。他們還驗證了自主研制的第四代微型離心萃取器在強輻照條件下連續穩定運行的可靠性，為我國強放射性條件下的萃取熱實驗設備的研發提供了技術儲備，使超鈾核素放射性的平均去污系數達到3000以上（要求值為100），鍶－90和銫－137的平均去污系數達到10000以上（要求值30），完全滿足我國遺留的高放廢液非α化和中低放化的要求。

通過以上兩個項目的研究，陳靖及其團隊成功解決了高放廢液萃取分離工藝技術和設備技術的可靠性，研究成果處于世界先進水平，并將應用于我國遺留高放廢液分離處理的工程中。

“開展核能技術研究是國家發展的需要，經濟和能源可持續發展的需求決定了我國核科學技術的重點是在保障核大國地位的同時要建設核電大國。而要發展核能，又面臨著兩個很大的挑戰——核資源可持續獲取和核廢物的妥善處理。知難而進、眾志成城的科研精神，是我們能夠迎接挑戰的最大保障，”陳靖總結道。