 耿彤 2013年4月東海對(duì)抗高潮時(shí)，包括石原在內(nèi)的日本右翼一再發(fā)出發(fā)展核武器的呼聲。其之所以敢冒天下之大不匙，是因?yàn)槿毡玖搴嗽O(shè)施即將全能力投入運(yùn)營(yíng)，這將使日本核材料加工和處理能力上到一個(gè)新高度，也使日本距離核武器更接近一步。那么，六所村的核設(shè)施有什么樣的秘密呢？ 日本核燃料加工處理能力的發(fā)展 日本的核燃料加工與處理能力是與其快速發(fā)展的核電工業(yè)密切相關(guān)的。日本過(guò)去幾乎完全依賴化石燃料的進(jìn)口，進(jìn)口能源約占80%。為擺脫這種情況，日本在1954年啟動(dòng)核研究計(jì)劃，用于核能的預(yù)算達(dá)到2.3億日元。1966年日本第一座商用核電站開(kāi)始運(yùn)行，到2005年已建成54座反應(yīng)堆，核電規(guī)模僅次于美國(guó)和法國(guó)。長(zhǎng)期的核電發(fā)展也使日本成為各種類型反應(yīng)堆集中的國(guó)家。目前，日本在運(yùn)行的反應(yīng)堆中有沸水堆、壓水堆、先進(jìn)沸水堆、先進(jìn)熱反應(yīng)堆(ATR)原型堆（世界上第一座采用全混合氧化物MOX燃料堆芯的熱堆)、快中子增殖堆，高溫工程試驗(yàn)堆等。在福島事故發(fā)生前，日本在建核電站3座，另規(guī)劃建設(shè)12座，計(jì)劃核電比例提高到42%。在長(zhǎng)期的眾多核電站運(yùn)行中，產(chǎn)生了數(shù)量龐大的未耗盡核燃料，而同時(shí)日本還要大量進(jìn)口全新的核燃料。為此日本制定了核燃料再生計(jì)劃，以最大程度地利用進(jìn)口的鈾。日本從法國(guó)引進(jìn)技術(shù)，率先在東京北面的東海村建設(shè)了試驗(yàn)性的核處理設(shè)施。 東海村是日本高放廢物處理和處置研發(fā)的主要場(chǎng)地，它以日本第一次較大核事故而聞名于世。1999年9月30日上午10點(diǎn)35分，日本東海村JCO公司的一座鈾轉(zhuǎn)換廠的工人違反操作程序，把富集度18.8%的鈾溶液(相當(dāng)于含16千克鈾)直接倒入沉淀槽中。由于鈾量超過(guò)其臨界質(zhì)量的2.9倍，當(dāng)即產(chǎn)生藍(lán)白色的閃光，現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生了γ和中子輻射。這次臨界事故使現(xiàn)場(chǎng)93名工作人員受到不同程度的核輻射，其中2人先后不治身亡。雖然這里的試驗(yàn)性研究和生產(chǎn)工作不盡人意，但其為以后的大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。此時(shí)日本核電站用過(guò)的乏燃料的后處理大部分由英國(guó)核燃料有限公司和法國(guó)康吉瑪公司在歐洲進(jìn)行，制成MOX(全混合氧化物燃料)后運(yùn)回日本，同時(shí)經(jīng)過(guò)玻璃固化的高放廢物也被運(yùn)回處置。此過(guò)程不但成本巨大，而且過(guò)程危險(xiǎn)，鑒于此，利用東海村經(jīng)驗(yàn)建設(shè)商業(yè)性核處理設(shè)施的問(wèn)題提上了日程。 商業(yè)性的六所村綜合設(shè)施 1980年，日本組建了日本核燃料服務(wù)公司，并選擇北部的青森縣六所村作為商業(yè)后處理廠的廠址。該廠于1993年開(kāi)始建造，2006年成為一座完全商業(yè)規(guī)模的后處理廠（見(jiàn)題圖）。但在熱試中出現(xiàn)了玻璃熔爐的出口管嘴阻塞、耐火磚脫落、高放廢液泄漏等情況，熱試工作中止。為此日本核燃料公司多次向經(jīng)產(chǎn)省申請(qǐng)延遲六所村后處理廠的投運(yùn)日期，而福島核事故使這一工作再次遭受打擊。但總的看，六所村核設(shè)施使日本只要從國(guó)外進(jìn)口鈾原料，就可以在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)核燃料從加工、使用到最終廢料掩埋儲(chǔ)存的完全循環(huán)。  六所村處理廠的選址與組成 日本在建設(shè)六所村核設(shè)施之前有3個(gè)鈾燃料元件制造廠和1個(gè)后處理廠，1個(gè)低放廢物處理場(chǎng)。六所村建成后，所有的核生產(chǎn)與處理將集中到這里。六所村是一個(gè)人口1.9萬(wàn)人，面向太平洋的小寒村，一年之中有1/3時(shí)間被白雪覆蓋。也許太過(guò)偏遠(yuǎn)，無(wú)論是一般鐵路還是東北新干線都選擇從它前面轉(zhuǎn)身而過(guò)，倒是從距離這里40分鐘車程的美軍三澤空軍基地起飛的F-15經(jīng)常在村莊上空肆無(wú)忌憚地翻轉(zhuǎn)飛行。過(guò)去這里以漁業(yè)、農(nóng)業(yè)為主導(dǎo)，而現(xiàn)在的六所村幾乎所有的就業(yè)和收入都是由核廢料再加工帶動(dòng)的。那么，日本為何選中這塊近乎不毛的地方呢。 選址 上世紀(jì)70年代，在日本經(jīng)濟(jì)騰飛伊始之際，日本政府大量收購(gòu)了六所村的廉價(jià)土地，并在這里一口氣蓋了51座大型儲(chǔ)油罐，作為國(guó)家戰(zhàn)略儲(chǔ)油基地。此外，還建設(shè)了大型風(fēng)力發(fā)電廠。但是此后遭遇石油危機(jī)，以石油基地和石化工業(yè)為主導(dǎo)的開(kāi)發(fā)計(jì)劃嚴(yán)重受挫，這使當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)遭到嚴(yán)重打擊。進(jìn)入80年代中期，日本大力發(fā)展核電事業(yè)，急需建設(shè)與之配套的核燃料加工、后處理設(shè)施，這片政府已經(jīng)花過(guò)錢的土地再次被人們想起。1984年7月，日本電力事業(yè)協(xié)會(huì)向六所村提出建設(shè)申請(qǐng)，經(jīng)過(guò)短短6個(gè)月，六所村地方政府就得出了“歡迎核燃料建設(shè)”的結(jié)論，3個(gè)月后青森縣政府即批準(zhǔn)核循環(huán)基地落戶六所村。 日本政府之所以選擇這里作為核活動(dòng)基地，主要是看中這里獨(dú)特的地理和地質(zhì)環(huán)境。在地質(zhì)結(jié)構(gòu)上，這里是日本全境內(nèi)較少的地震非活躍地帶，而且地下巖層緊密，基巖穩(wěn)定，不易發(fā)生地質(zhì)斷裂和滲漏。而在地理環(huán)境上，這里人口不算密集，也不在主要交通干線上，即使發(fā)生事故也不會(huì)造成太大影響。重要的是其面臨西太平洋，一方面其可以稀釋可能的核污染，另一方面其可以作為重要的核原料、核廢料的安全運(yùn)輸途徑。目前所有核廢料基本都是沿海路從全日本各地的核電站運(yùn)送到這里的。 組成 六所村核設(shè)施耗資2.19萬(wàn)億日元興建，目前基本已建成鈾濃縮廠、核燃料后處理廠、低放廢物處置中心及高放廢物處理中心。正在建設(shè)的是鈾钚混合物MOX燃料廠。2011年3月日本大海嘯期間，乏燃料后處理廠核燃料儲(chǔ)存池約600升水在建筑物內(nèi)溢出，所幸沒(méi)對(duì)建筑外部造成放射性污染。  六所村核設(shè)施的運(yùn)行 雖然日本發(fā)生了一系列核事故，但其還是要在核電工業(yè)發(fā)展的道路上走下去。而六所村在這一道路中扮演著重要角色，主要擔(dān)負(fù)以下幾項(xiàng)重要作用。 鈾濃縮 由于日本沒(méi)有鈾礦，因此其鈾原料需要大量進(jìn)口，而鈾濃縮是加工進(jìn)口鈾礦石或粗鈾原料的重要過(guò)程，也是所謂核燃料循環(huán)過(guò)程的起點(diǎn)。鈾的天然濃度是0.7%，而在大多數(shù)通用商業(yè)核電廠中，持續(xù)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的濃度通常需要達(dá)到3.5%，這意味著必須提高易裂變鈾235的濃度，然后才能將其制成燃料。鈾濃縮過(guò)程大致為：鈾礦石一重鈾酸鐵(黃餅)一二氧化鈾一四氟化鈾一六氟化鈾一濃縮鈾。其中技術(shù)難度最高的是最后一步)提純濃縮鈾.35，因?yàn)樵氐母鞣N同位素如同孿生姐妹，物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)都相似，采用各種物理或化學(xué)提純方法都收效甚微，代價(jià)卻很高。通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種濃縮方法，但應(yīng)用最廣的是氣體離心法，這也是包括六所村在內(nèi)的日本大多數(shù)設(shè)備采用的方法。 在這類工藝中，六氟化鈾氣體被壓縮通過(guò)一系列高速旋轉(zhuǎn)的圓筒或離心機(jī)。鈾238同位素重分子氣體比鈾235輕分子氣體更容易在圓筒的近壁處得到富集。在近軸處富集的氣體被導(dǎo)出，并輸送到另一臺(tái)離心機(jī)進(jìn)一步分離。隨著氣體穿過(guò)一系列離心機(jī)，其鈾235同位素分子被逐漸富集。與其它方法相比，氣體離心法所需的電能要小很多。六所村鈾濃縮廠投入運(yùn)營(yíng)后，日本的鈾濃縮工作進(jìn)展非常快，該廠年產(chǎn)滿足要求的濃縮鈾達(dá)到1500噸，可供十余座核電站用。 乏燃料后處理 在核電廠，乏燃料并不等于核廢料，其中含有許多有用的物質(zhì)，如沒(méi)有“燒凈”的鈾235，以及新生的俘獲產(chǎn)物和裂變產(chǎn)物等。在俘獲產(chǎn)物中，有钚的各種同位素，在裂變產(chǎn)物中，有鍶、銫等，都是可利用的同位素。此外還有大量的鈾238等。乏燃料的后處理，就是從中找回寶貴的可裂變材料(鈾235、钚239等)和可轉(zhuǎn)換材料(鈾238等)，以便再制造成新的燃料元件，這將大大提高核燃料的利用率。通常壓水堆核電站鈾資源的利用率僅為0.37%，如果對(duì)乏燃料進(jìn)行后處理，用新得到的鈾在壓水堆中再循環(huán)一次，可節(jié)省天然鈾25%。此外這還可以降低其放射性，減輕環(huán)保負(fù)擔(dān)。如果將裝機(jī)容量為百萬(wàn)千瓦的核電站運(yùn)行一年所產(chǎn)生的30噸乏燃料不直接儲(chǔ)存而是先進(jìn)行后處理，則其高放廢物可以濃縮在約十立方米的玻璃體中。而且其放射性水平大大降低，比較“頑固”的長(zhǎng)壽命放射性核素減少，有利于放射性廢物的處置。 由于乏燃料具有強(qiáng)放射性，需要采用遠(yuǎn)距離的方式操作和控制，這增加了工廠的投資。由于涉及到易裂變物質(zhì)，需要嚴(yán)加防范避免達(dá)到核臨界狀態(tài)。乏燃料在運(yùn)抵六所村前，需要在各自工廠中冷卻1年多時(shí)間，在其被切割前要冷卻4年多。產(chǎn)品經(jīng)過(guò)提純、脫硝，生成可儲(chǔ)存的鈾和钚產(chǎn)品，而產(chǎn)生的高放廢物經(jīng)過(guò)燒結(jié)和包裹，形成固化(玻璃化)體，運(yùn)往高放廢物儲(chǔ)存中心。自1999年開(kāi)始，乏燃料就被存放在六所村(向歐洲的乏燃料運(yùn)輸于1998年終止，以等待六所村后處理廠建成)。六所村后處理廠目前每年能處理800噸乏燃料，這些乏燃料平均钚含量超過(guò)0.9%。  混合氧化物燃料的制作 鈾钚混合燃料也就是MOX燃料（混合氧化物燃料）。MOX燃料是一種巧妙利用核裂變產(chǎn)物而設(shè)計(jì)的特種核燃料。傳統(tǒng)的反應(yīng)堆以鈾235為燃料，但自然界鈾儲(chǔ)量的98%都是無(wú)法利用的鈾238。MOX燃料是由7%的钚和93%的鈾238混合制成的。設(shè)計(jì)的巧妙之處在于，將核廢料里的钚以及自然儲(chǔ)備更多的鈾238給利用了起來(lái)。使用MOX燃料的是所謂的快堆，其中有效利用的是钚239，钚239發(fā)生裂變時(shí)放出來(lái)的快中子會(huì)被裝在反應(yīng)區(qū)周圍的鈾238吸收，又變成钚239。這就是說(shuō)，在堆中一邊消耗钚239，又一邊使鈾238轉(zhuǎn)變成新的钚239，而且新生的钚239比消耗掉的還多，從而使堆中核燃料變多，實(shí)現(xiàn)增殖，因此該反應(yīng)堆也稱增殖快堆。目前，各國(guó)發(fā)展的主要是用MOX作燃料、用液態(tài)鈉作冷卻劑的快中子增殖堆，它的倍增時(shí)間是30多年。也就是說(shuō)，只要添加鈾238，每過(guò)30多年，快堆核電站燃料就可翻一番。 理論上，快堆可將鈾238、鈾235及钚239全部加以利用，并將鈾的利用率提高到60%-70%，比熱堆中的壓水堆高140倍，比重水堆高70倍以上。目前，全世界每年約有70噸可用來(lái)生產(chǎn)MOX燃料的钚被當(dāng)作核廢料傾倒，其中2/3的物質(zhì)具有放射性，難以處理。但MOX燃料也有一些缺點(diǎn)：它的放射性元素濃度更高，并且與常規(guī)核燃料相比能夠升到更高的溫度，因此要關(guān)閉使用這種燃料的核電站，需要應(yīng)對(duì)更多來(lái)自核燃料棒的剩余熱量，這就是在2011年福島核電站事故中，專家更加擔(dān)心采用MOX燃料的3號(hào)反應(yīng)堆的原因。 日本電力公司和核燃料有限公司在六所村后處理廠附近建立了MOX廠，年設(shè)計(jì)能力是處理130噸。該廠生產(chǎn)的MOX中钚含量為5%-10%，將使用六所村后處理廠制造的50:50鈾钚混合氧化物粉末作為原料，然后加入六所村濃縮廠儲(chǔ)存的反應(yīng)堆用過(guò)的鈾進(jìn)行稀釋，再制作燃料彈丸，組裝成燃料棒。  高放廢物儲(chǔ)存 高放廢物主要來(lái)自于后處理廠、MOX燃料制造廠，以及各地反應(yīng)堆退役，甚至是乏燃料。這種廢物放射性強(qiáng)，且會(huì)產(chǎn)生大量熱量，因此處理較為困難。日本六所村在乏燃料后處理廠的最后環(huán)節(jié)中，有專門(mén)的設(shè)施將放射性廢液、廢物與玻璃原料混合、使其形成較易于處理的穩(wěn)定形態(tài)，然后再經(jīng)高溫熔化、裝入不銹鋼容器、凝固成為玻璃固化體。玻璃固化體具有較強(qiáng)放射性，并伴隨著放熱現(xiàn)象，放射性會(huì)緩慢衰減，1000年后會(huì)衰減到約1/3000，10萬(wàn)年后衰減至1/30000。隔離玻璃固化體最好的辦法就是深地層掩埋。一是地下深層與地表相比，不易受人類活動(dòng)及自然現(xiàn)象的影響。二是地下深層幾乎沒(méi)有氧氣，很難發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。三是深層地下水流動(dòng)緩慢，物質(zhì)不容易發(fā)生遷移。此外，地下基巖可以長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，因此把玻璃固化體裝入金屬容器、覆上緩沖材料粘土(人工屏障)、埋藏在地下深層的穩(wěn)定基巖(天然屏障)中長(zhǎng)期隔離。到2020年前后，預(yù)計(jì)日本產(chǎn)生的乏燃料將會(huì)相當(dāng)于4萬(wàn)個(gè)玻璃固化體，因此六所村高放廢物處理中心在日本核電中將發(fā)揮更大作用。  六所村核加工處理能力的軍事潛力 獲取核材料 美國(guó)普林斯頓大學(xué)一名研究核不擴(kuò)散的專家西普爾認(rèn)為，日本如果不重新加工，而是選擇進(jìn)口鈾燃料，成本會(huì)更低，也更方便，而且把核廢料儲(chǔ)存在混凝土桶里，再經(jīng)空氣冷卻，也比運(yùn)到青森縣更安全。但日本仍堅(jiān)持建設(shè)六所村這樣的核設(shè)施，主要是因?yàn)榱宓慕ㄔO(shè)使日本具備了乏燃料后處理和長(zhǎng)期儲(chǔ)存的能力，從而使其擁有了向國(guó)際社會(huì)引進(jìn)更多核原料的理由。六所村設(shè)施建成后，日本不再將乏燃料運(yùn)出國(guó)境，而是在各電站和六所村儲(chǔ)存起來(lái)，等待后處理廠逐年緩慢處理。而與此同時(shí)，眾多核電站使日本仍有理由從海外進(jìn)口核燃料，從而使日本可以合法積累核材料。 發(fā)展鈾濃縮能力 六所村鈾濃縮廠規(guī)模在全球范圍內(nèi)也屬較大的類型，其生產(chǎn)能力使日本濃縮鈾能力翻了一番還多。武器級(jí)鈾的豐度在93%左右，而科研計(jì)算表明，將濃縮鈾豐度從商業(yè)要求口在建的后處理廠的0.7%至2%之間提高到豐度2%至93%之間所需要的分離功是相同的，因此濃縮過(guò)程不是線性的，這意味著在能夠隨時(shí)獲得商用濃縮鈾的情況下，達(dá)到武器級(jí)濃縮鈾的工作量可減少到不足一半，而鈾的供料量可減少到20%以下。也就是說(shuō)增加離心機(jī)級(jí)聯(lián)，并稍加技術(shù)改進(jìn)，日本就可以實(shí)現(xiàn)武器級(jí)濃縮鈾的生產(chǎn)?？梢?jiàn)，日本一方面通過(guò)鈾濃縮生產(chǎn)了大量的原料六氟化鈾日本自開(kāi)始鈾濃縮以來(lái)已獲得六氟化鈾1406噸（截至2005年3月底）。另一方面，六所村鈾濃縮廠的建設(shè)使日本具備了一定的武器級(jí)鈾濃縮生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備。 掌握钚提取技術(shù) 日本在核能發(fā)展中堅(jiān)持原料自主化政策，因此其在增殖快堆建設(shè)和MOX燃料生產(chǎn)上表現(xiàn)積極。20世紀(jì)60年代，比利時(shí)、法國(guó)、美國(guó)、意大利、德國(guó)、日本和印度等國(guó)紛紛建立實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)發(fā)供增殖快堆使用的MOX燃料，1970~1985年國(guó)際上形成了快堆MOX燃料的研究高潮。支持MOX燃料快堆的科學(xué)家認(rèn)為，自然界中存在的易裂變鈾235用完是遲早的事，因此必須在這之前找到鈾235的替代燃料?？於岩?yàn)槟芾昧硗?9%的鈾238，大大增加了核燃料的量。但從目前來(lái)看，從乏燃料中提取钚239成本很高，MOX燃料價(jià)格一般要比低濃鈾燃料高3~6倍。而擅長(zhǎng)算經(jīng)濟(jì)賬的日本人卻堅(jiān)持走這條道路，即使在當(dāng)前各國(guó)增殖快堆發(fā)展逐步萎縮的情況下，仍堅(jiān)持要生產(chǎn)MOX燃料。外界猜測(cè)主要原因是MOX燃料生產(chǎn)需要從乏燃料中提取钚239，這種技術(shù)可以用來(lái)制造核武器原料，因此美國(guó)和歐盟的一些國(guó)家對(duì)這項(xiàng)技術(shù)十分敏感，而日本也通過(guò)六所村的建設(shè)建成了大規(guī)模的钚提取設(shè)施。 儲(chǔ)存钚原料 由于有大量研究堆與核電站反應(yīng)堆機(jī)組運(yùn)行，日本钚儲(chǔ)量逐年快速增長(zhǎng)。從1994年底原子能委員會(huì)公布的庫(kù)存分離钚約13噸開(kāi)始，到2010年底钚產(chǎn)量達(dá)到約85噸，減去計(jì)劃需求量(制成MOX商業(yè)堆和其它用途)后，仍有50多噸庫(kù)存量。日本現(xiàn)行的模式是在20年后對(duì)已在核電站使用5年的乏燃料進(jìn)行再處理，加工成MOX燃料進(jìn)行再利用。但如今六所村再處理工廠的乏燃料處理能力僅為800噸/年，只能處理日本核電站產(chǎn)生的乏燃料的大約一半。而且六所村現(xiàn)在已經(jīng)累積了約3000噸乏燃料，正在排隊(duì)等待再處理，處理這些存貨據(jù)說(shuō)需20年。而日本擁有的幾十噸钚夠制造幾千枚核彈（5~10千克可制造1枚核彈）。這些钚絕大部分為反應(yīng)堆級(jí)钚，但反應(yīng)堆級(jí)钚也可用于制造核彈，這在1962年美國(guó)核試驗(yàn)中已經(jīng)證實(shí)。這就是石原揚(yáng)言日本可擁有千枚核彈的物質(zhì)基礎(chǔ)。  《兵器知識(shí)》2013年7期 |
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