發(fā)布時(shí)間：2021-03-17所屬分類：經(jīng)濟(jì)論文瀏覽：1次
摘 要： [摘要]本文基于釷燃料循環(huán)的先進(jìn)反應(yīng)堆概念，系統(tǒng)調(diào)研和分析了印度、加拿大、挪威等國家最新發(fā)布的釷基燃料循環(huán)相關(guān)計(jì)劃和研究報(bào)告，同時(shí)對(duì)釷基核燃料循環(huán)領(lǐng)域的科學(xué)論文和專利文獻(xiàn)進(jìn)行了定量分析。綜合定性調(diào)研和定量分析，建議我國結(jié)合中國國情，加強(qiáng)整體
[摘要]本文基于釷燃料循環(huán)的先進(jìn)反應(yīng)堆概念，系統(tǒng)調(diào)研和分析了印度、加拿大、挪威等國家最新發(fā)布的釷基燃料循環(huán)相關(guān)計(jì)劃和研究報(bào)告，同時(shí)對(duì)釷基核燃料循環(huán)領(lǐng)域的科學(xué)論文和專利文獻(xiàn)進(jìn)行了定量分析。綜合定性調(diào)研和定量分析，建議我國結(jié)合中國國情，加強(qiáng)整體規(guī)劃，制定我國釷基核燃料循環(huán)研究的國家發(fā)展戰(zhàn)略，進(jìn)一步拓展國際合作內(nèi)涵，規(guī)劃優(yōu)先發(fā)展的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究，部署釷燃料元件制造技術(shù)、釷燃料反應(yīng)堆裂變產(chǎn)物及其放射性物質(zhì)處理技術(shù)方面的前瞻性研究。
[關(guān)鍵詞]釷基核燃料循環(huán)核燃料增殖核安全文獻(xiàn)計(jì)量發(fā)展態(tài)勢(shì)分析
1引言
核能開發(fā)是我國的一項(xiàng)既定政策，發(fā)展核能離不開核燃料。而鈾在自然界的儲(chǔ)量很小。而作為核燃料的釷的儲(chǔ)量是鈾的3～4倍，目前為止還沒有進(jìn)行大范圍商業(yè)化的開發(fā)和利用，而且較之鈾礦更易于開采;釷還是一種更為高效的燃料源，鈾在進(jìn)入反應(yīng)堆之前必須經(jīng)過高濃縮，而所有的釷都是可直接利用的核燃料。232Th的熱中子吸收截面是238U的3倍，因此232Th-233U的轉(zhuǎn)化效率要遠(yuǎn)高于238U-239Pu的轉(zhuǎn)化。釷氧化物(ThO2)比鈾氧化物(UO2)更加穩(wěn)定，釷基燃料裂變產(chǎn)物的釋放率比鈾的要低一個(gè)數(shù)量級(jí)。在德國、美國和英國的高溫氣冷堆實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過程中，釷燃料(ThO2,(Th,U)O2,ThC2和(Th,U)C2)已經(jīng)有很好實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。釷燃料循環(huán)中乏燃料232U的半衰期只有73.6年，因此其具有內(nèi)在的反核擴(kuò)散特征。來自釷1引言燃料加速器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(ADS)的核廢料，在其前三萬年的冷卻時(shí)間中，毒性比同樣是鈾燃料的ADS要低30倍。同時(shí)，與鈾燃料循環(huán)相比較，釷燃料循環(huán)只產(chǎn)生很少量的超鈾元素廢物，也更加容易控制和處理。因此釷未來很有可能替代鈾成為主要裂變?nèi)剂稀ｂQ基燃料在反應(yīng)堆內(nèi)可允許更高的燃料芯塊溫度和更深的燃耗，釷基核燃料對(duì)各種堆型的適應(yīng)性較好，無需對(duì)現(xiàn)有反應(yīng)堆的燃料組件和結(jié)構(gòu)材料等做重大改變。但釷—鈾燃料循環(huán)工藝尚不成熟，還沒有建立工業(yè)體系，至今尚未真正用于世界各國的核能生產(chǎn)。
釷基燃料循環(huán)的研發(fā)工作已經(jīng)進(jìn)行了50多年，取得了大量的試驗(yàn)研究成果，但其規(guī)模遠(yuǎn)小于鈾燃料和鈾/钚燃料循環(huán)的研究。美國、英國、德國、印度、日本、俄羅斯、荷蘭等國都在進(jìn)行這方面的研究工作。有關(guān)國家還在實(shí)驗(yàn)堆中進(jìn)行了將釷燃料輻照至高燃耗的研究，并且有幾座實(shí)驗(yàn)堆部分或完全裝載了釷基燃料。
用于不同反應(yīng)堆的釷燃料元件之間存在較大差異。除了熔鹽增殖堆使用液態(tài)混合氟化物作為燃料和主要冷卻劑以外，其他所有反應(yīng)堆均使用固體燃料，這種固體燃料是一種微小的“陶瓷燃料微球體”(100～1000µ)、“陶瓷燃料球芯塊”或“金屬合金燃料棒”。制造二氧化釷和氧化釷基混合氧化燃料元件的技術(shù)主要包括“粉球”路線、“振動(dòng)溶膠”路線、“溶液-凝膠微球體”制粒工藝和滲透技術(shù)。
2釷基核燃料的重要實(shí)驗(yàn)研究與發(fā)展戰(zhàn)略
2.1有關(guān)釷基核燃料的重要實(shí)驗(yàn)研究
國際上開展的有關(guān)釷基核燃料的重要實(shí)驗(yàn)研究以高溫氣冷堆居多，另外還有幾個(gè)快中子反應(yīng)堆使用釷基核燃料的實(shí)驗(yàn)研究，如表1所示。
2.2各國釷基核燃料循環(huán)研究戰(zhàn)略與計(jì)劃
2.2.1印度釷燃料循環(huán)計(jì)劃
印度由于其豐富的釷資源儲(chǔ)備，始終熱衷于開發(fā)先進(jìn)的釷基燃料循環(huán)技術(shù)，并計(jì)劃建造9座以釷為燃料的核電廠，使之成為世界上唯一一個(gè)同時(shí)計(jì)劃建造9座以釷為燃料的核電廠的國家。印度基于釷技術(shù)的核電計(jì)劃集中開發(fā)可以使用釷燃料的快中子增殖堆。印度核電發(fā)展計(jì)劃的目標(biāo)是開發(fā)燃燒U-233和釷的先進(jìn)重水堆，在可持續(xù)“閉合”循環(huán)中將釷資源轉(zhuǎn)化為鈾，并已在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下進(jìn)行過驗(yàn)證。然后對(duì)乏燃料進(jìn)行后處理，以回收易裂變材料進(jìn)行再循環(huán)。目前，英國也加入到了印度釷研究計(jì)劃里來，利用英國工程與物理研究理事會(huì)和印度原子能部聯(lián)合資助進(jìn)行五個(gè)核能項(xiàng)目研究。
2.2.2加拿大釷燃料研究計(jì)劃
加拿大原子能公司在20世紀(jì)50年代的CANDU堆開發(fā)計(jì)劃中就已開始將釷作為一種有前景的核燃料，并一直將釷基燃料循環(huán)作為其CANDU6、先進(jìn)CANDU6以及ACR-1000反應(yīng)堆的候選方案。最具吸引力的CANDU堆釷基燃料循環(huán)將是閉式循環(huán)，其中包括乏燃料后處理以及對(duì)回收的鈾-233和釷進(jìn)行循環(huán)利用。近期，釷資源豐富的國家可在CANDU堆中使用“一次通過式”燃料循環(huán)，以便獲得釷基燃料循環(huán)技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)，并在乏燃料中積累鈾-233戰(zhàn)略資源。在未來，CANDU堆與快堆的協(xié)同作用將使CANDU堆能夠使用快堆產(chǎn)生的易裂變材料。
2.2.3挪威的釷基燃料戰(zhàn)略研究
挪威研究委員會(huì)2008年向政府提交了一份題為《將釷作為能源資源——挪威的機(jī)遇》的研究報(bào)告。報(bào)告指出，由于目前已掌握的關(guān)于利用釷基燃料發(fā)電以及這種資源的地質(zhì)分布的資料太少，因此還不能確定釷資源對(duì)挪威的潛在價(jià)值。報(bào)告明確指出，釷基核燃料費(fèi)用在整個(gè)發(fā)電成本結(jié)構(gòu)中所占的比重將比較小，與鈾燃料費(fèi)用相當(dāng)甚至更低。開發(fā)釷基核能系統(tǒng)的主要經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)是相關(guān)研發(fā)工作能否獲得充足的資金。建議，“應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到核能對(duì)可持續(xù)能源未來的潛在貢獻(xiàn);評(píng)估挪威巖石中的釷是否是可用于未來發(fā)電的經(jīng)濟(jì)資產(chǎn);并鼓勵(lì)在Halden研究堆中開展釷基燃料試驗(yàn)”。報(bào)告還建議，“應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)國際合作，例如參加關(guān)于適合使用釷基燃料的第四代反應(yīng)堆的研究工作，并積極參加歐盟對(duì)使用釷基燃料的加速器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(ADS)的研究工作”。還提議，“應(yīng)該使釷基燃料方案保持開放，并將其作為對(duì)鈾燃料方案的一個(gè)有益補(bǔ)充，以增強(qiáng)核能的可持續(xù)性。”
3釷基核燃料循環(huán)論文統(tǒng)計(jì)與主題挖掘分析
3.1數(shù)據(jù)來源及方法說明
本次分析采用的數(shù)據(jù)庫為WebofScience(包括ScienceCitationIndexExpanded和ConferenceProceedingsCitationIndex數(shù)據(jù)庫)，利用關(guān)鍵詞結(jié)合領(lǐng)域分類的方式檢索了所有在釷基核燃料循環(huán)研究方面發(fā)表的論文。數(shù)據(jù)檢索時(shí)間為2010年11月22日，共檢索到有效數(shù)據(jù)1422條，覆蓋時(shí)間段為1956-2010年。
分析利用湯森路透公司開發(fā)的數(shù)據(jù)挖掘和可視化工具ThomsonDataAnalyzer(TDA)及社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析軟件UCINET等工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析、主題因子分析、趨勢(shì)分析和國家、機(jī)構(gòu)合作分析等，并進(jìn)行了可視化表達(dá)。
3.2釷基核燃料循環(huán)研究論文結(jié)構(gòu)分析
3.2.1研究主題結(jié)構(gòu)
主題因子分析2以標(biāo)題切詞得到的短語和作者關(guān)鍵詞為研究主題，利用ThomsonDataAnalyzer工具，對(duì)1422篇釷基核燃料循環(huán)研究論文的研究主題進(jìn)行了因子分析。具有重要影響而且研究主題高度相關(guān)聯(lián)的標(biāo)題短語和作者關(guān)鍵詞生成了因子地圖(如圖1所示)。
標(biāo)題反映了論文的主要內(nèi)容和強(qiáng)調(diào)的觀點(diǎn)，因此利用論文標(biāo)題進(jìn)行切詞可以對(duì)研究?jī)?nèi)容的相關(guān)性加以分析。圖1為釷基核燃料循環(huán)論文標(biāo)題切詞后得到短語的主題因子地圖。以“precisevalidation”和“databasen”為核心短語，與“fusionreactionsU-233U-238”與“Pu-242”、“Cm-243”和“reactionratesensitivity”構(gòu)成了一個(gè)共性主題，表明U-233和U-238的增殖反應(yīng)和反應(yīng)率的敏感性方面的研究之前都主要以大量數(shù)據(jù)的收集和實(shí)驗(yàn)的精確驗(yàn)證為主。短語“U-233-TH”與“MetallicCombinations”構(gòu)成了一個(gè)共性主題，表明鈾釷混合燃料循環(huán)的金屬合成是一個(gè)關(guān)鍵的研究主題。以“long-livedfissionproducts”與“thermalneutronfissionedU-233”為核心短語，與“Th-232”、“I-134”、“Np-237”構(gòu)成了一個(gè)共性主題，表明釷的增殖及釷燃料反應(yīng)堆裂變產(chǎn)物中I-134和Np-237的分離是一個(gè)關(guān)鍵的研究主題。
3.2.2論文的國家分布
(1)第一作者
國家分析第一作者國家是指論文中第一作者所在的國家。論文作者的排名體現(xiàn)了每位作者對(duì)論文的貢獻(xiàn)程度，因此分析論文第一作者所在國家，能夠更深刻地反映各個(gè)國家在釷基核燃料循環(huán)研究方面的影響力和實(shí)力。
相關(guān)期刊推薦：《科學(xué)觀察》是反映世界科學(xué)發(fā)展態(tài)勢(shì)的權(quán)威學(xué)術(shù)期刊，主要利用定量方法對(duì)世界科學(xué)發(fā)展態(tài)勢(shì)和科學(xué)前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行觀察，為科學(xué)家提供視野更加寬闊的世界科學(xué)面面觀，為國家科技決策機(jī)構(gòu)和科技管理部門提供科技戰(zhàn)略決策理論支撐和參考信息。主要欄目：中國及世界科學(xué)發(fā)展態(tài)勢(shì)、科學(xué)前沿及熱點(diǎn)分析、專利分析、研究機(jī)構(gòu)聚焦、領(lǐng)銜科學(xué)家、科學(xué)家訪談等。
表2根據(jù)第一作者列出了論文數(shù)量排名前10的國家，共發(fā)表釷基核燃料循環(huán)論文947篇，分別分布在58個(gè)國家(如表3所示)。論文數(shù)量排名前10位的國家分別是印度(173篇)、美國(107篇)、日本(90篇)、土耳其(72篇)、法國(71篇)、俄羅斯(53篇)、德國(49篇)、中國(30篇)、巴西(24篇)、意大利(23篇)。這10個(gè)國家在整體上大致可以劃分為三個(gè)集團(tuán)：第一集團(tuán)為印度和美國;第二集團(tuán)日本、土耳其、法國;包括中國在內(nèi)的其他6
國為第三集團(tuán)。從發(fā)文數(shù)量來看，印度遙遙領(lǐng)先于美國，印度在釷基核燃料循環(huán)方面的自主研究能力可見一斑。從論文總被引頻次看，作為第一作者國家美國總被引頻次845次、印度776次、法國678次，處于領(lǐng)先的第一集團(tuán)地位，這反映了這三個(gè)國家對(duì)釷基核燃料循環(huán)研究的重視程度，以及這些國家在這個(gè)領(lǐng)域的研發(fā)能力。土耳其(504次)、日本(456次)、德國(335次)這三個(gè)國家僅次于法國，構(gòu)成了論文總被引頻次的第二集團(tuán)，基本符合人們對(duì)這些國家釷基核燃料循環(huán)研究能力的認(rèn)識(shí)。包括中國在內(nèi)的其余4個(gè)國家處于論文總被引頻次的第三集團(tuán)，總被引頻次都不超過300次。從篇均被引頻次看，這10個(gè)國家分成兩個(gè)集團(tuán)。法國、美國、意大利、土耳其、德國的篇均被引頻次均超過5，處于第一集團(tuán)。中國與德國、俄羅斯、巴西、意大利處于第二集團(tuán)。中國的篇均被引頻次為3.7，只高于巴西，低于其他國家。
在H指數(shù)方面，法國(15)、印度(13)、美國(12)、土耳其(12)、日本(11)處于第一集團(tuán)，這些國家代表了當(dāng)前世界釷基核燃料循環(huán)研究影響力比較大的幾個(gè)國家，也比較客觀地反映了上述國家在釷基核燃料循環(huán)研究方面的重要性。中國的H指數(shù)為6，排在第8位，僅高于俄羅斯與巴西。
釷基核燃料循環(huán)作為未來核能發(fā)展很有潛力和競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)選項(xiàng)之一，很多國家都做了相關(guān)基礎(chǔ)的研發(fā)工作，推動(dòng)了相關(guān)研究和技術(shù)的發(fā)展。因此，除了分析第一作者發(fā)表論文排名前10的國家，對(duì)其他發(fā)表相關(guān)研究論文的國家也進(jìn)行了分析，以了解釷基核燃料循環(huán)研究總體的分布態(tài)勢(shì)。其中，只分析以第一作者發(fā)表論文2篇及以上的國家。
除表2中的10個(gè)國家外，共有33個(gè)國家產(chǎn)出了2篇以上的論文，表3對(duì)這些國家進(jìn)行了歸類，給出了相關(guān)信息。可以看出，歐洲對(duì)于釷基核燃料循環(huán)的研究活動(dòng)相對(duì)活躍，21個(gè)國家都有相關(guān)研究成果發(fā)表，特別是比利時(shí)、瑞士、瑞典、白俄羅斯等國家;亞洲也有6個(gè)國家產(chǎn)出了2篇以上的成果，分別是韓國、巴基斯坦、以色列、伊朗、塞浦路斯和哈薩克斯坦;非洲的3個(gè)國家分別是埃及、摩洛哥和南非，其中埃及表現(xiàn)突出，發(fā)表論文數(shù)量?jī)H次于前10國家;北美洲有2個(gè)國家，分別是加拿大和墨西哥;澳大利亞也以第一作者產(chǎn)出了5篇釷基核燃料循環(huán)的論文。
(2)國際合作情況
國家與國家之間的科技合作是由多方因素決定的。總體來說，一個(gè)國家的國際合作水平與該國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平密切相關(guān)，同時(shí)也與該國的政治、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展水平有關(guān)。本報(bào)告主要通過國際合作的論文數(shù)量、合作國家數(shù)量、合作最多國家這三個(gè)指標(biāo)考察各個(gè)國家的國際合作情況，如表4所示。
從國際合作論文數(shù)量指標(biāo)來看，美國以53篇高居第一位，其次是法國的37篇和日本的27篇，反映了這三個(gè)國家在釷基核燃料循環(huán)研究領(lǐng)域的國際合作能力和影響力。
在論文數(shù)量前10國家中，美國的論文數(shù)和國際合作論文數(shù)量都是最多的，合作國家數(shù)也很多，共與27個(gè)國家合作了53篇論文，說明美國的國際合作研究非常活躍，其他各國都重視與美國的合作。在諸多合作國家中，美國與俄羅斯合作了19篇，是合作最多的國家，說明這兩國在釷基核燃料循環(huán)研究方面合作關(guān)系非常緊密。美國、俄羅斯、法國、日本、德國合作發(fā)文量都比較多，國家間的合作比較緊密。印度發(fā)文量多但合作論文很少。中國等其余各國的合作發(fā)文量也較少。
由圖2可以看到，美國、法國、德國、日本、俄羅斯是整個(gè)國際合作網(wǎng)絡(luò)的中心，說明這些國家有較強(qiáng)的國際合作意愿，也從側(cè)面反映了這些國家在這個(gè)研究領(lǐng)域的國際影響力。美國、日本、俄羅斯之間，法國和德國之間在釷基核燃料循環(huán)方面的合作最緊密，合作強(qiáng)度達(dá)到10及以上(在圖中以綠色線標(biāo)示)。新西蘭、法國分別與美國、日本和俄羅斯合作密切，加拿大分別與美國、俄羅斯合作密切，俄羅斯和德國，法國、瑞士分別和意大利之間密切合作，合作強(qiáng)度達(dá)到7及以上(在圖中以紅色線標(biāo)示)。比利時(shí)、波蘭、澳大利亞、瑞士分別與法國合作較為緊密，瑞士、以色列、德國分別與美國進(jìn)行合作，加拿大、瑞士、奧地利、白俄羅斯、西班牙分別與日本合作密切，合作強(qiáng)度在5以上。而希臘、葡萄牙、捷克共和國與多國進(jìn)行了系列合作，美國、法國、德國、日本、比利時(shí)、意大利、西班牙、奧地利等國家也與更多的國家進(jìn)行合作，合作強(qiáng)度在3及以上。另外，其他國家如，中國、芬蘭、匈牙利、保加利亞、巴西、烏茲別克斯坦、斯洛文尼亞、土耳其、哥倫比亞、烏克蘭等國家也與其他國家開展了積極的合作，但合作強(qiáng)度在3以下(無連線)。
3.2.3論文的第一作者機(jī)構(gòu)分布
第一作者機(jī)構(gòu)是指論文中第一作者所在的機(jī)構(gòu)。論文作者的排名體現(xiàn)了每位作者對(duì)論文的貢獻(xiàn)程度，因此分析論文第一作者所在機(jī)構(gòu)，能夠更深刻地反映各個(gè)機(jī)構(gòu)在釷基核燃料循環(huán)研究方面的影響力和實(shí)力。
作為第一作者機(jī)構(gòu)的論文數(shù)量能夠更深刻反映一個(gè)機(jī)構(gòu)的科研影響力。如表5所示，第一作者論文數(shù)量前5名的機(jī)構(gòu)分別是印度巴巴原子能研究中心(93篇)、美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(23篇)、土耳其加齊大學(xué)(20篇)、印度甘地原子能研究中心(20篇)、日本原子能研究院(20篇)。前20名機(jī)構(gòu)中只有除了印度巴巴原子能研究中心的論文數(shù)量遙遙領(lǐng)先外，包括第2~5名在內(nèi)的其他機(jī)構(gòu)的論文數(shù)量差距并不是很大。
從論文第一作者機(jī)構(gòu)的總被引頻次看，印度巴巴原子能研究中心以總被引397次排名第一，土耳其加齊大學(xué)(224次)、日本原子能研究院(184次)、土耳其埃爾吉耶斯大學(xué)(178次)分列2~4位。從表5看到，這20家機(jī)構(gòu)可以劃分為兩個(gè)集團(tuán)。其中，印度巴巴原子能研究中心(397次)、土耳其加齊大學(xué)(224次)、日本原子能研究院(184次)、土耳其埃爾吉耶斯大學(xué)(178次)、法國巴黎大學(xué)(157次)、德國卡爾斯魯厄研究中心(157次)、美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室(135次)、瑞士保羅謝勒研究所(135次)等機(jī)構(gòu)總被引頻次均超過100次，屬第一集團(tuán)。其余各國屬第二集團(tuán)。
從篇均被引頻次看，德國卡爾斯魯厄研究中心以19.63名列第一，其后依次是土耳其埃爾吉耶斯大學(xué)(16.18)、瑞士保羅謝勒研究所(15)、法國巴黎大學(xué)(14.27)、土耳其加齊大學(xué)(11.2)、比利時(shí)的歐洲共同體委員會(huì)(10.63)、美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室(10.38)，其篇均被引頻次均高于10。——論文作者：冷伏海1 劉小平1 李澤霞1* 黃龍光1 王林1 王海燕1 周麗英2
