What's This?
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Experts from emerging and developing countries debate crucial, timely topics related to nuclear energy, nuclear proliferation, and economic development. Each author contributes an essay per round, for a total of nine essays for the entire Roundtable. This feature was made possible by a three-year grant from the Norwegian Foreign Ministry.

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Development and Disarmament Roundtable

高浓铀:更少即更多

许多广为人知的举措试图通过最大限度地减少高浓铀(HEU)在民用领域的使用来降低核扩散及核恐怖主义的可能性。研究堆的运营者明白高浓铀最小化的理由,但转向使用低浓铀可涉及严重的资金、技术及政治方面的挑战 – 相对那些遥远的官僚和防扩散专家,研究堆的管理者对这一切可能更加明白。

Round 1

08/20/2013 - 10:27

最大限度减少危险,最大限度增加烦恼

Charles Piani (CH)
08/20/2013 - 10:29

如何摒弃高浓铀

Pablo Cristini (CH)
08/20/2013 - 10:30

在哈萨克斯坦的转换:一个多人游戏

Alexandr Vurim (CH)

Round 2

08/20/2013 - 10:32

进行控制比彻底消除更好?

Charles Piani (CH)
08/20/2013 - 10:33

向低浓铀转换:花瓣和荆棘

Pablo Cristini (CH)
08/20/2013 - 10:34

不惜任何代价最小化?

Alexandr Vurim (CH)

Round 3

08/20/2013 - 10:36

把大象吃掉

Charles Piani (CH)
08/20/2013 - 10:38

困难,但值得

Pablo Cristini (CH)
08/20/2013 - 10:39

以新的眼光

Alexandr Vurim (CH)

Round 1

08/20/2013 - 10:27

最大限度减少危险,最大限度增加烦恼

控制裂变材料的使用途径是可用的防止核武器扩散措施中最重要的方法之一,人们普遍认为,高浓铀(HEU)无论军用或民用,都会造成核扩散威胁。这解释了为何国际社会更支持低浓铀(LEU)而非高浓铀。但是,选择最大限度减少 HEU 的发展中国家面临什么挑战呢?

在发展中世界,高浓铀的两种用途与最大限度减少 HEU 的举措有关:作为燃料,用于尚未转用或不能转用 LEU 的研究堆;以及作为裂变铀靶件,用于生产医用放射性同位素。(其他两个用途可能会在未来谈及:作为海军反应堆及快速反应堆的燃料。)

美国国家核安全管理局(NNSA)及国际原子能机构(IAEA)等促进转用低浓铀的组织,有时会采用"胡萝卜加大棒"的政策来鼓励发展中国家进行转换。所谓"棍子",就是这些组织可能会宣称发展中国家若不转用低浓铀,就将失去浓缩铀供应。所谓"胡萝卜",这些组织可能会向发展中国家提供研发支持或放射性同位素出口机会。由于政治压力或商业限制,并为了跟国际进行合作,许多发展中国家正试图尽可能减少高浓铀的使用。然而,发展中国家研究堆的一个"并发症",就是设施的管理人员常常面临压力,需要减少利益相关方的成本-- 无论是作为燃料还是靶件,向低浓铀转换都会带来重大的财务影响

成本太高?一些以高浓铀为燃料的研究堆并无向低浓铀转换的迫切需要 -- 它们的燃料库存足够多个运行周期使用。但是,需要新鲜燃料供给的反应堆就面临两方面的问题了:反应堆转换到 LEU 是否可行;以及能否高效、经济地进行转换?管理层如果决定转换,就必须找到适合的财政支持,以确保向 LEU 平稳过渡,保证设施运作的可持续性。

向生产医用放射性同位素的低浓铀靶转换呈现出一系列不同的问题。放射性同位素生产是一项主要的国际产业;钼-99,更具体地说是它的衰变产物锝-99(一种亚稳态的医用同位素),每年在约 3 千万例患者应用中发挥作用。从历史上看,该行业一直是依靠辐照 HEU 靶件(通常是铀-235 浓缩到 90% 以上)。转用 LEU 靶件要求靶件的铀含量增加到原来的两倍或更多。这在技术上是个挑战。此外,放射性同位素生产如果要保持稳定,就需要更多的靶件,并会产生更大量的废弃物。

另一个障碍是,无论转换的是燃料或靶件,把设施向 LEU 转换时往往需要几年的筹备时间,在此期间,必须更新核授权及允许从事医疗应用的许可。这些都意味着大量的前期成本,需由反应堆或其同位素生产商,或由一个主要的利益相关者(如政府)来承担。此外,研究堆和同位素生产设施必定担心任何转换过程中的销售损失,这意味着通常需要在进行转换的同时继续现有的生产流程。这对产能和成本有显著的影响。

面临这些问题的发展中国家的研究堆,金融方面的选择通常有限。它们可以向政府这样的利益相关者寻求协助;尝试使用商业同位素生产带来的资金设法应付;或者,如果有的话,它们也可以寻求发达国家的援助 -- 激励机制。(往往结合这三种方法才会带来最佳结果。)发达国家的重大技术、资金援助来自美国能源部和 NNSA 的"研究试验堆低浓化项目"(Reduced Enrichment for Research and Test Reactors Program)以及"俄罗斯研究堆燃料返回计划"(Russian Research Reactor Fuel Return Program)等来源;两者都收到了 IAEA 大量组织和资金支持。

限制太低?通常情况下,发达国家和发展中国家讨论最大限度减少 HEU 时,提上议程的第一个问题是将反应堆转换为低浓铀。第二是及时从不再使用核材料的设施中移除和处理这些核材料。为了帮助反应堆转换,发达国家通常为运作 LEU 反应堆可行性以及转换后同位素生产预计增加的成本提供带资助的计算评估。移除和处理核材料引起一系列问题,包括使用后的裂变材料在得到适当处理或退还前的安全存储。近年来,将反应堆使用后的可裂变材料退还给美国和俄罗斯这方面已取得显著进展,但问题依旧存在 -- 例如,怎样退还并非来自美国或俄罗斯的剩余材料。此外,美国"全球削减威胁倡议"中的一项倡议,即"Gap Material Program",旨在应对其他项目没有处理的高风险材料问题,现在似乎也停滞不前。

除了这些以外,此次"圆桌讨论"提出的问题 -- "发达国家可以怎样在新兴和发展中国家最好地激励最大限度减少 HEU?" -- 需要清楚地阐释何谓"最大限度减少 HEU"。

最大限度减少 HEU 的所有动力都与"核不扩散条约"以及 200 个签约国防止核武器扩散的努力相关。最大限度减少 HEU 在民用领域的使用是该条约的自然产物。但是,尽管经常讨论这个问题,对于何谓"最大限度减少 HEU",而非"彻底消除 HEU",并没有普遍的共识。另外,也有人认为所有程度的 HEU 使用都代表着真正的核扩散问题,这种想法也备受怀疑。

根据定义,HEU 有 20% 以上的浓缩的铀-235;LEU 是小于 20% 的浓缩铀-235。我在这里提出一个问题,也许有冲突但仍然值得考虑:为什么不能把 LEU 临界点提高到 20% 以上,从而帮助发展中国家的研究堆克服转换过程中面临的技术和财政方面的挑战呢?

08/20/2013 - 10:29

如何摒弃高浓铀

大约 85% 的诊断性核医学操作(相当于每年三千万次操作)使用锝-99 这种亚稳态医用同位素。它是钼-99的衰变产物,钼-99 被认为是核医学中使用的最重要的放射性同位素。

钼-99有数种生产方法,其中对医疗应用而言最有效的方法是裂变 -- 用核反应堆中产生的热中子辐照铀靶件。这使得铀原子分裂(或裂变)成各种稳定态放射性的同位素,其中之一就是钼-99。这种同位素最终被送到发生器的制造商那里,制造商将发生器送到核医学中心。在那里,锝-99 被用来标记诊断性程序中使用的分子。

高浓铀(HEU)或低浓铀(LEU)都可以使来作为靶件(即反应堆堆芯中,发射中子诱发裂变的材料)。使用 HEU 不可避免地带有核扩散和核恐怖主义的风险。使用 LEU 可使这些风险显著降低。

从高到底。阿根廷国家原子能委员会(CNEA)负责进行核研究及发展,也负责如放射性同位素生产等应用及服务,1985 年开始生产钼-99,使用浓缩到 90% 以上的同位素 235 靶件。在 1988 年和 1989 年期间,该委员会的 RA-3 堆 -- 当时及现在都是拉美地区最重要的生产放射性同位素的反应堆 -- 被改造为使用 LEU 燃料,从而应对国际核扩散方面的担忧。当时,高浓铀最小化的下一步就是制定一套使用低浓铀靶进行钼生产的程序。

那时的第一个挑战是产生一个合适的的 LEU 靶件,让钼产量至少跟高浓铀靶件的一样多。为此,CNEA 负责燃料元素、靶件制造以及为钼分离和纯化所用靶件进行化学处理的各个组推出了一个联合项目,对一些铀化合物进行了测试,最后终于产生了一个 LEU 靶件,它在几何上跟以前用的高浓铀靶件相似,但铀含量更高。

要开始使用这些新的靶件,就需要对工厂的分离和纯化过程做一些改变,但基础设施只需作出轻微的调整即可。2002 年,LEU 靶件的钼-99 开始商业化生产。整个改造项目全是由委员会的工作人员开展的,并没有任何外部技术或资金支持。如今,CNEA 生产高品质的钼-99,可满足阿根廷的所有需求以及巴西需求的三分之一。此外,生产的钼-99 中约 15% 以锝-99 发生器的形式出口到巴西以外的拉美地区。

阿根廷从 HEU 到 LEU 的改造经验常在国际上被用来证明这样的转变在技术上和经济上是可行的。例子有: 2009 年美国国会指定的研究"无高浓铀的医用同位素生产";"有关医用放射性同位素供应之安全性的高级别小组"(High-Level Group on Security of Supply of Medical Radioisotopes)的出版物,旨在应对全球供应问题,以及在裂变放射性同位素生产中向 LEU 靶件的转化;还有美国能源部被称为"研究堆和试验堆低浓化"的计划。

CNEA 目前正在努力建造一个新的研究及生产反应堆,以及一个新的具有更高生产能力的裂变放射性同位素生产厂,这将有助于提高 使用 LEU 靶件生产的医用放射性同位素的供应。这将帮助避免锝-99 的供应危机 -- 2009 年,位于加拿大的一个锝工厂的问题引发了这一危机,这也将为全球高浓铀最小化的倡议做贡献。

鼓励转换。国际社会努力最大限度地减少 HEU 在民用部门的使用,这方面的工作正朝着正确的方向前进。上述诸项举措是宣传低浓化改造可行性及重要性的有力工具;国际原子能机构就这一主题协调会议并建立研究项目的努力也同样如此。在国家层面上,对裂变钼产品有强烈需求的国家应该偏向使用 LEU 靶件的供应商,并且限制基于 HEU 的产品。

CNEA 对转换过程贡献良多 -- 不仅改造了它自己的 RA-3 、 RA-6 反应堆堆芯和钼-99 生产过程,转用 LEU,而且还把它的 LEU 生产技术成功地转移给了国外的实体。这其中包括澳大利亚核科学和技术组织(Australian Nuclear Science and Technology Organisation)和埃及原子能管理局(Atomic Energy Authority of Egypt)。

总之,国家和多边努力有助于更好地理解民用领域消除 HEU 的重要性。这有利于世界变得更加安全。

08/20/2013 - 10:30

在哈萨克斯坦的转换:一个多人游戏

减少使用高浓铀(HEU)的国际举措应得到无条件的支持,但向低浓铀(LEU)转换通常是个艰巨的项目。研究堆采用多种设计且用途广泛,而且不同国家对如果完成这个转换有不同的看法。我国哈萨克斯坦已有初步计划,打算将三个研究堆转换为使用低浓铀燃料。但进展却不如应有的那么快。

为什么呢?要回答这个问题,就必须了解跟哈萨克斯坦研究堆有关的官僚系统,所有研究堆都由政府机构拥有并经营。我国四个研究堆中,两个名为 IVG 及 IGR 的反应堆为国家核中心(National Nuclear Center)所有,由该中心的一个部门,即原子能研究院,也就是我的雇主来运营。第三个反应堆为核物理研究院(Institute of Nuclear Physics)所有,这个研究院是独立于国家核中心的。第四个反应堆处于长期停用状态,燃料已卸载,从低浓转换这个角度而言毫无意义。

向 LEU 转换必须得到两个政府机构的批准,即原子能机构(Atomic Energy Agency,管理反应堆及监督许可证授予和安全等问题)以及工业与新技术部(Ministry of Industry and New Technologies)。该部已批准 IVG 和 IGR 反应堆进行转换。但原子能机构(很快将重组为原子能委员会(Committee of Atomic Energy))尚未批准。只有设备的首席设计师和研究主管批准对反应堆做调整,该机构才会批准进行转换;哈萨克斯坦法律法规要求,对于向 LEU 转换这样的决定,必须要有每个反应堆的首席设计师及研究主管的参与。

而事情到了这里就变得更复杂了,因为这些反应堆的首席设计师和研究主管并非哈萨克斯坦的实体。相反,这些反应堆源于苏联,因此首席设计师和研究主管其实是俄罗斯政府所有的俄罗斯实体,现在在反应堆运营中发挥的作用很小。更重要的是,首席设计师及研究主管的行动至今为止并未受到过任何单个俄罗斯实体的调配,只能由原子能研究院在它们之间进行协调。但是,协调位于另一个国家的实体的行为并不是该研究院有能力做到的。

在这里,回忆一下这些研究堆最早在哈萨克斯坦成立时所使用的组织结构是有用的。所有工作都受到苏联负责核科学、能源及工业的部门统一管辖。研究主管、首席设计师,和营运组织都是这个部门的一部分,彼此间通过一套明确的责任义务而相互联系在一起。这样一个相互作用的系统帮助建立了苏联最先进的科学及工业部门以及世界上最先进的核电产业之一。遗憾的是,哈萨克斯坦政府总的来说缺乏前苏联部门所拥有的这些能力,更不用说原子能研究院了。

面对这一切,"全球减少威胁倡议"(Global Threat Reduction Initiative,一个有关 HEU最小化的美国项目)的代表曾试图与另一个实体,即俄罗斯反应堆燃料的制造商接洽。当时的想法是,燃料供应商可以开发一种能让反应堆进行转换的低浓铀燃料。但是,尽管这也许会解决一些技术上的问题,但却不能解决这些官僚问题。首席设计师及研究主管的充分参与仍是必要条件。

原子能研究院正试图避开这些问题,通过跟反应堆的燃料供应商谈判,希望燃料供应商将承担协调所有相关俄罗斯实体的责任。事实上,在由哈萨克斯坦核物理研究院运营的研究堆,转换工作进展更为顺利,而这恰恰是由于一个俄罗斯国有燃料生产商正在所有相关俄罗斯实体之间做协调。

哈萨克斯坦的转换过程的理想解决方案可能是,美国政府的代表更多地跟俄罗斯官员联系,让俄罗斯政府对这件事真正感兴趣 -- 对转换过程中涉及俄罗斯的研究主管、首席设计师和燃料制造商的所有方面都负起责任。最后,没有这种政府间的合作,转换可能也能进行下去。但在任何情况下,哈萨克斯坦在转换方面的经验提供了一个例子,说明了反应堆在试图最大限度地减少使用高浓铀时会碰到的问题。

Round 2

08/20/2013 - 10:32

进行控制比彻底消除更好?

我的几位同行在第一轮文章中,描述了将研究堆或试图将研究堆从高浓铀(HEU)转向低浓铀(LEU)的不同经验。Pablo Cristini 讲述的阿根廷的转换,代表了拥有独立进行反应堆 LEU 转换能力的发展中国家的情况:即当地人才足以承担这一工作,并且国家政府提供充分的支持。Alexandr Vurim 的文章讲述了哈萨克斯坦的转换,提出了这样一个情况,即核设施愿意进行转换,但国家或国际性质的限制因素却可能阻碍核设施这样做。哈萨克斯坦所面临的此类障碍是很难克服的,除非决策者真正信服转换的好处。

南非对 SAFARI-1 研究堆进行 LEU 转换的经验更类似于阿根廷而非哈萨克斯坦。与阿根廷一样,南非的所有技术问题都可能在当地层面得到解决,并且南非在转换方面的努力得益于法律及监管领域强大的政府合作。不过,这两个国家财政情况的差别看起来还是相当大的。

首先,南非的钼-99 出口显著大于阿根廷,所以商业上的考虑在南非的决议中扮演非常重要的角色。此外,尽管南非的能源部门为转换提供了大量资金,但是它也欢迎美国在研发方面的援助。这包括评估当地 LEU 产品的制造流程并提出改进建议,以及对燃料和靶板效率进行理论性的运算。(例如,此方面由美国阿贡国家实验室‘Argonne National Laboratory’提供过帮助)。

然而,一个问题继续存在。SAFARI-1 于 2009 年完成向 LEU 燃料的转换并于 2010 年完成向 LEU 靶件的转换,但监管部门尚未批准南非核能公司的高浓铀燃料及靶件生产设施开始生产低浓铀产品。因此,核能源公司目前必须进口 LEU 板,用于靶件,燃料及控制棒组件。这代表着商业自给自足的缺失。

不那么令人信服。正如我在第一篇文章中所讨论的一样,发展中国家的研究堆在决定是否转用 LEU 时面临一系列复杂的考虑,而且,除非国际施加极大压力,否则,仍使用 HEU 燃料及靶件的核设施在一些情况下将继续推迟转换。反应堆在出口放射性同位素方面可以得到帮助,而且决策者已足够了解这种商业激励。但发达国家用以支持转换的防扩散方面的理由有时不那么令人信服。当反应堆转换难度很高的时候,尤其如此。以德国的 Forschungsreaktor Munchen-II 为例(诚然,这并非发展中国家)。除非克服涉及燃料密度的高难度技术问题,否则这个反应堆是不可能实现转换的。当出现此类障碍使反应堆转换变得复杂时,当然要考虑这个国家为核材料采用了什么安保系统,而不是在任何情况下都试图强制进行转换。此外,我在第一篇论文中提出的一个问题也与此有关:为什么不能把低浓铀和高浓铀间的分界提高到大于 20% 的铀-235 呢?在我看来,从防扩散的角度出发,浓缩度为 30% 也是相当安全的。

还有另外的问题。首先,什么是有效的 HEU 最小化?一个特定国家或设施拥有多少 HEU 才被认为不可接受?对于新鲜燃料和乏燃料,该问题又要如何回答?

而且,如果发达国家集中精力和资金对高浓铀进行适度地控制 -- 无论是对自己的核设施还是风险更高的发展中国家的设施都是如此 -- 那么,比起试图彻底消除某一特定浓缩值以上的铀,发达国家岂不是对防扩散做出了更大的贡献?

08/20/2013 - 10:33

向低浓铀转换:花瓣和荆棘

正如本次"圆桌讨论"已发表的文章所论证的,使研究堆和裂变放射性同位素生产设施转用低浓铀(LEU)可能涉及一些严峻的挑战。有些挑战是纯技术性的,有些则是财政方面的,还有些挑战则有关安全和医疗法规(医用同位素通常如此)。

经验表明,钼-99 生产设施进行转换的技术挑战通常是可以克服的。使用高浓铀(HEU)靶件的设施往往具有发展以 LEU 为基础的处理方法或调整现有高浓铀处理方法的独立技术知识。在缺乏足够技术知识的地方,像"全球减少威胁倡议"(Global Threat Reduction Initiative)这样的项目也许可以提供援助,帮助进行转换。

在某些情况下,财政挑战大于技术挑战。只有裂变放射性同位素供应链中的每一个利益相关者都信服转换对全球安全而言至关重要时,才能最好地克服这些挑战。使每个人都信服这件事本身就难度相当高了,因为供应链中含有大量环节:铀靶件的制造商、研究堆本身、钼-99 加工者、锝-99 发生器的制造商和分销商以及核医学中心。但是,得到所有这些利益相关者的合作 -- 包括地方政府及国际核最小化举措的合作 -- 似乎是为转换成本筹措资金最令人满意的方法。

Alexandr Vurim 在第一篇"圆桌讨论"文章描述了这么一个情况,即监管方面的问题对研究堆转换过程的成功是最重要的;事实上,监管在很多转换情况中都起着重要作用。获得监管机构批准进行 LEU 转换可能需要很长的时间(新设施可能需要更久的时间)。此外,部分由于监管方面的原因,进行转换的设施可能在相当一段时间里需要保持两个生产过程平行进行:-- 现有的 HEU 过程继续生产医用放射性同位素,直到转换完成;LEU 过程在改进的同时向监管部门提供演示。

到目前为止,我主要讨论了已经开始运营的设施。但我相信,裂变放射性同位素生产的新设施从一开始就使用 LEU 靶件,显然是更可取的做法,即使HEU在本地有生产。一些新的生产商将能够有能力自行开发出自己的以 LEU 为基础的处理方法;如果没有,他们可以借鉴一些项目,如国际原子能机构的一个名为"使用低浓铀目标或中子活化的小规模本土 [钼-99] 生产"的项目(Small-Scale Indigenous Production of [Molybdenum 99] Using LEU Targets or Neutron Activation),这个项目对一些开始小规模生产钼-99 的国家起到了帮助。或者像澳大利亚和埃及的做法一样,国家可以直接从阿根廷这样的国家进口 LEU 为基础的技术。

定义分界线。我的同行 Charles Piani 已经问了为什么低浓铀和高浓铀直接的分界线不能提高到大于 20% 的铀-235,他建议说 30% 为分界线可能更合理。其他人提出了同样的问题 -- 毕竟,分界线往往是有点武断的。从一些研究堆的角度来看,经济因素主张高于 20% 的分界线。

但是,我相信 20% 的限制是有道理的。普林斯顿大学教授、《原子能科学家公报》科学和安全委员会 的成员 Alexander Glaser 认为,实际上,对相互抵触的防扩散的必要条件而言,现有的定义是一个很好的妥协。也就是说,当研究堆使用浓缩到更高水平的铀时,基于铀的扩散风险就会增长,即转移或盗窃就会成为更大的安保问题;但当设施使用浓缩到较低水平的铀时,基于钚的扩散风险就会增长(浓缩到较低水平的铀收到辐照,产生钚的量就会更大)。我倾向于同意 Glaser 的观点,即现有的分界线"代表一个合理的、甚至是最佳的研究堆转换目标的选择" -- 而且,我想补充一点,对裂变放射性同位素生产也是如此。

08/20/2013 - 10:34

不惜任何代价最小化?

我的同行 Pablo Cristini 和 Charles Piani 在目前已发表的文章中,对尽量减少使用高浓铀(HEU)的某些方面有截然不同的看法。Cristini 采取了我称之为传统的立场,而 Piani 所表达的观点则较具争议。我自己更同意这个具有争议的观点。

从传统角度来看,把反应堆从高浓铀(HEU)转换到低浓铀(LEU)是普遍可行的。这种想法主要基于生产钼-99 等医用放射性同位素的反应堆的成功转换 – 并且事实上,在这种转换中,反应堆一直保持着钼-99 的生产,并未在商业放射性同位素市场上遭受损失。在转换此类反应堆上已有很多经验;多年来相关燃料制造技术已得到完善;转换已变得越来越平常。这类转换项目取得成功此时已可预见,只要有适当的规划、合理的管理和充足的资金就可以。

但是,生产医用放射性同位素的反应堆基本上大同小异,而其他用途的反应堆则通常具有跟反应堆燃料的特性不可分割的独特设计。属于这个类型的反应堆通常包括脉冲反应堆。脉冲反应堆里,铀得到高度的浓缩,在相对较小的反应堆堆芯里产生很高的中子通量密度,并且,这种反应堆可以运行很长一段时间而无需添加燃料。为这些设施设计适用的低浓燃料是一个非常棘手的问题。正是由于这些原因,我倾向于赞同Piani 较具争议的有关转换的观点 -- 在我看来,这才是一个平衡的对待转换的态度。

成就路上的念碑。哈萨克斯坦的 IGR 研究堆(我承担管理方面的职务)是全世界功率最大的研究脉冲堆。初步研究显示,转换为 LEU 在理论上是可能实现的,但存在一些技术难题,并且没有办法测试反应堆转换后的长期表现。

考虑到这些情况,是否真得不惜一切代价把研究堆转换到 LEU 呢?如果转换的难度高到本质上相当于建设一个新的反应堆(IGR 的转换就可能如此)怎么办?(IGR 所处的建筑在转换后都不太可能被保留,更不用提反应堆的主要系统了。)已经在反应堆里且能在数年内保持出色性能的燃料,必须被替换吗?而且,假设如同 IGR 的情况一样,很明确地知道转换后反应堆将无法保持目前反应堆的水平,那么问题就变成了:应该投入多少精力和费用来创建一个次于现有设备的转换后反应堆呢?

IGR 已运作超过 50 年,这段时间已证明它很安全。它配备了所有标准工具和程序,以防止越权使用-- 并且,它位于前塞米巴拉金斯克核试验场地,这个区域特别安全。此外,对 IGR 的需求很高,因为可以用它来研究核心动力反应堆出现严重事故的模拟环境中,测试燃料的表现。

如果 IGR 反应堆因为出于善意的转换方面的努力而无法保持目前的水平,这将是很可悲的,如果真的失去了这已经存在超过五十年的知识和技术,也将是很可悲的。因此,我提出一个我自己也没有准确答案的问题。保留 IGR 反应堆作为人类成就之路的纪念碑,人类文化遗产一个方面的象征,这样做合不合适?

最后,我想补充的是,即使 IGR 及与它类似的所有设施都被转换为 LEU,高浓铀也不会从世界上消失。例如,使用 HEU 为燃料的舰艇推进反应堆就似乎不太可能很快消失。

Round 3

08/20/2013 - 10:36

把大象吃掉

在我所在的非洲地区,当人们面临一个令人头疼的大问题时,经常会问:"我们怎么把这头大象吃掉?"典型的回答是:"一块一块地吃!"最大限度地减少使用高浓铀(HEU),就可以被看作一头只能被一块一块地吃掉的大象。但也有可能,这头大象有些部位就是不能吃的。

就 HEU 反应堆何时应转换为低浓铀(LEU)才合理这点,我的同行 Pablo Cristini 和 Alexandr Vurim 阐述了不同的意见。但有一点已出现共识:生产钼-99 的反应堆转换到低浓铀裂变标靶是可行的,虽然可能过程有些艰难。核能机构(Nuclear Energy Agency) 2012 年的一份报告也达成了基本相同的决心,得出的结论是,尽管转换需要投入金钱和时间,但"转换很重要,并且将会发生。"不管怎样,只要仅有少数国家提供 HEU,并且这些国家继续对生产钼的反应堆施加压力,要求进行转换,这些设施将发现它们除转换外并没有什么其他的路可走。想要参与商业化医用同位素生产的反应堆最终将不得不把它们的那份大象肉吃掉 -- 不然就只能挨饿。

这一餐的其他部分涉及一些使用 HEU 并参与除同位素生产以外的活动的研究堆。当然,新的研究堆通常都被设计得能使用低浓铀运作良好。但旧的反应堆可能会发现它们的大象肉很难下咽。这主要是因为设计较旧的反应堆堆芯能被重新设置的可能性有限。在这种情况下 -- 例如 Vurim 提及的位于哈萨克斯坦的 IGR 反应堆 -- 转换对许多反应堆而言就意味着性能降低。

在这些设施中,发达国家可以通过对转换工作提供技术和财政支持,来起到象肉嫩化剂的作用。但只要 LEU 和 HEU 之间的界限仍然定在 20% 的铀-235,即使是这种类型的支持也不会总是够用。因此,在有些情况下,这一餐根本就不能用,任何旨在使所有反应堆从防扩散角度变得完全安全的国际性最小化战略都不可能成功。国际原子能机构的研究堆数据库说明了这个问题的范围:其中列出的许多反应堆没有财力或技术自己进行转换。更重要的是,它们根本没有转换的意愿。用吃大象的说法来讲,就是它们只是不够饿。

尽管不是所有案例都能完成转换,发达国家可以通过继续对发展中国家开展 HEU 库存风险评估,并在合适时帮助改善安保和材料管理项目,从而对防扩散作出贡献。构成最大风险的库存 -- 例如,发展中国家存储的新鲜高浓铀,却没有充分的核材料管理和安保项目 -- 应给予特别优先考虑。至于乏燃料,鉴于它的高放射性,在一定程度上自身对盗窃或挪用就有威慑力。

核动力潜艇的问题或许比研究堆更令人担忧。潜艇本来在多数时间都是处于隔离状态的。无论计划与否,它们将不可避免地在外国靠港,而对于这些流动性如此强的设施,是不可能真正使用适当的安保措施的。正如 Vurim 在第二篇文章中所说的,海军中的 HEU 应用是不可能很快被消除的。

但是,当谈及研究堆时,把生产医用放射性同位素的设施转换到 LEU,已经是放在桌上的一餐了,而且这一餐可以很快被吃掉。然而,转换所有研究堆则可能是一种比大象还难被吃掉的动物。

08/20/2013 - 10:38

困难,但值得

Alexandr Vurim 在第二篇"圆桌讨论"文章中指出,在研究堆从高浓铀(HEU)转换成低浓铀(LEU)这个话题上,我所提出的是"传统观点"。他写道,从这种传统观点出发,转换被认为是"普遍可行"的。他接着论证道,如果某些研究堆转换为低浓铀,即使不说以转换前的效率进行运作完全不可能,转换后要保证相同的效率也是相当困难的。他建议,这些情况下也许可以不用尝试转换。

我现在仍旧认为,研究堆中进行的很多活动,包括但不限于放射性同位素生产,是完全可以在转换到 LEU 后顺利进行的。但考虑到现实情况,Vurim 认为 -- 如果出于技术原因,转到 LEU 后无法达到可接受的效率水平的话,停止有用的核应用就不合理 -- 我也认同这点。在有些情况下,转换为低浓铀根本就不是一个合理的做法。对这些案例而言,核活动就不应受到干扰。

Charles Piani 最后一篇文章聪明又幽默,用延伸的比喻把转向 LEU 描绘成一头只能被一块一块吃掉的大象,不过这只动物的某些部分可能是不可食用的。这说出了问题的真相,但我想再补充一点,这头将要被吃掉的动物不仅仅是一头大象,而且是一头特别大的大象 -- 而且有些肉可能会引起急性消化不良。不过,既然已经上菜了,食客就应该尽量把自己盘里的食物吃掉。食客至少可以期待餐后可以吃一顿令人愉快的甜点 -- 最大程度消除世界民用 HEU 所得到的满足感。

工作继续。正如此次"圆桌讨论"所强调的那样,决定在何处以何种方式进行 LEU 的转换是非常困难的。但是,国际合作可以缓解这些困难,无论是专家会议还是诸如"全球减少威胁倡议"(Global Threat Reduction Initiative)和"研究试验堆低浓化项目"(Reduced Enrichment for Research Test Reactors program)等最小化项目。这些强大的资源已经被证明能够克服转换路上一系列的技术和资金障碍。我相信,随着时间的推移,这样的互动会慢慢就哪些核设施应转为低浓铀,哪些则必须得到允许继续使用高浓铀这一问题产生共识。但是,继续使用高浓铀的地方,必须采取最高水平的安全措施,防止核材料盗窃或转移事件的发生。

同时,关于转换的争论仍在继续。如果将"完美"定义为消除所有核扩散风险并同时克服转换的所有技术和资金障碍,那么将找不到完美的方法。但是,让大家意识到转换的好处仍然是一个重要的项目,应继续通过国际倡议和会议以及像"圆桌讨论"这样的论坛来推进。

转换需要努力,需要资金和时间。最终,一些设施可能会继续使用高浓铀。但我坚信,为转向低浓铀所投入的国际努力都是值得的。

08/20/2013 - 10:39

以新的眼光

本次"圆桌讨论"发人深省,鼓励我以新的眼光看待哈萨克斯坦的研究堆从高浓铀(HEU)转换为低浓铀(LEU)中存在的一些问题。

哈萨克斯坦国家核中心(National Nuclear Center,NNC)所拥有的两个活跃的研究堆并不需要经常加燃料。部分由于这个原因,哈萨克斯坦从未发展出制造反应堆燃料的能力。如果哈萨克研究堆转换为低浓铀,这种对外国燃料制造商的依赖看起来可能会继续存在。那么,乍一看,在转换后,由现在为该中心反应堆制造燃料的俄罗斯公司来提供低浓铀燃料似乎是顺理成章的事。

但是,这也许并不如乍一看的那么顺理成章。这是因为,根据定义,低浓铀燃料比高浓铀燃料的浓缩水平低,因此,为了使低浓燃料达到近似高浓燃料的表现,在燃料基体中的铀密度就必须增加。但是,这就对燃料元件制造 -- 在浓缩燃料被转换成适合在反应堆中使用的组件的过程阶段 -- 产成了影响。也就是说,现有的生产 HEU 燃料的技术,即使为低浓铀做了调整,也可能不兼容于现有的制造 LEU 燃料元件过程。这意味着低浓燃料元件制造技术很可能要从头开始设计。

由于转换要求这么多改变,现在为哈萨克斯坦的研究堆制造燃料的公司与竞争公司相比,除与阿萨克斯坦合作的经历外,并不占其他优势。因此,如果转换向前推进,那么对哈萨克斯坦当局来说恰当的做法是客观评估整个 LEU 燃料供应商市场,不给予当前的燃料供应商任何特殊地位。

另外一个本次"圆桌讨论"让我思考的问题是,哈萨克的反应堆可进行转换的具体方式。NNC 所拥有的反应堆不断地进行着研究项目,主要涉及核能(包括聚变)。该中心跟客户商定的工作已排到 2018 年,还收到了 2020 年的项目建议书。这些项目当然在 NNC 预算中发挥重要的作用。任何停堆的做法都是不受欢迎的,因为该中心将不可避免地在转换过程中蒙受经济损失,即使转换非常成功,重建反应堆的业务也需要一定的时间。

因此,转换如果要继续进行,就必须将其对研究项目的妨碍降到最小。这该如何实现呢?一种方法,如果证明它在技术上是可行的话,就是在计划好的燃料添加时段逐渐用 LEU 取代 HEU。NNC 也许能够在它的 IVG 反应堆使用这种方法,初步研究表明,转换不需要改变该反应堆的部分系统, 比如其控制和保护系统。然而,这种方法需要哈萨克斯坦当局与国际合作伙伴,如美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)和美国国家核安全管理局(US National Nuclear Security Administration),就转换的时间安排达成一致意见。此外,这些合作伙伴也需要决定如何对转换造成的经济损失提供补偿。

没有太多意义。我的同行 Pablo Cristini 和 Charles Piani 讨论了低浓铀和高浓铀分界线是否应该继续保持在被大家广泛接受的 20% 的铀235,还是应该提高这个比例。在我看来,目前的分界线是基于合理的标准的。任何试图改变分界线的尝试都必须赢得国际核社会和各监管机构的认同 -- 但发生这种情况的机率非常低,所以,我认为呼吁提高比例没有意义。我的看法是,把反应堆转换到 LEU 只有一个选择,就是在转换的同时牢记 20% 的分界线。