葉國安：初心不忘馭核以和

高妍 喬占衛(wèi)

“核能有些像馬戲團(tuán)里的猛獸，聽話時(shí)讓人感到其樂無窮，而一旦失控，后果不堪設(shè)想?！比鸬浜宋锢韺W(xué)家帕克金森曾如此比喻核能。作為人類科技發(fā)展史上具有里程碑意義的重大事件，核能的發(fā)現(xiàn)和使用從來都是一把“雙刃劍”。人類欣喜核能帶來的超強(qiáng)能量，也畏懼核廢料可能導(dǎo)致的放射性災(zāi)難。

面對(duì)優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)同樣突出的核能，普通人大多關(guān)注其缺點(diǎn)，談核色變，唯恐避之不及，科學(xué)家卻更看中它的優(yōu)點(diǎn)，并堅(jiān)定的與核為伴。他們拆解、分離、研究核的每一個(gè)元素與功能，只為了在充分規(guī)避核能缺點(diǎn)的前提下最大化發(fā)揮它的優(yōu)點(diǎn)。中核集團(tuán)首席專家、中國原子能科學(xué)研究院研究員葉國安，就是這樣一位馭核人。

葉國安長期致力于錒系元素化學(xué)與后處理工藝技術(shù)研究，在镎、钚化學(xué)行為與后處理工藝過程研究中取得了重要成就，已獲得多項(xiàng)國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)。

后處理，最難的分離過程之一

乏燃料即用過的核燃料，由核電站的核反應(yīng)堆產(chǎn)生。乏燃料可不是常規(guī)概念中的核廢料，葉國安稱之為“富礦”。

葉國安解釋，用過的核燃料里既有大部分沒有用完的鈾，又形成了很多高價(jià)值的其他元素，是名副其實(shí)的資源。“核電站用過的核燃料僅僅消耗了原料鈾的4%～5%，絕大部分鈾沒有用完，如果棄之不用太浪費(fèi)了。并且，消耗掉的鈾大部分會(huì)裂變成幾十種裂變產(chǎn)物元素，一小部分會(huì)吸收中子生成更高質(zhì)量數(shù)的超鈾元素，如93號(hào)元素镎、94號(hào)元素钚，這是比鈾更好的核燃料?！边@對(duì)于鈾資源并不豐富的我國來說正是雪中送炭，而后處理則是將這一“富礦”充分挖掘出來的有效手段。

核燃料后處理是分離鈾、钚以及镎、镅、鋦等錒系元素的復(fù)雜化學(xué)化工過程。通過后處理，可將乏燃料中的鈾和新生成的钚等元素回收并利用，不僅可以豐富我國鈾資源，確保我國核電進(jìn)一步規(guī)?；⒆猿质桨l(fā)展，還可大大減少乏燃料放射性物量，降低其長期潛在危害。

在我國核燃料循環(huán)體系中，后處理是實(shí)現(xiàn)核燃料閉式循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是一項(xiàng)融合了高、精、尖的復(fù)雜技術(shù)，難度非常高。如何難？葉國安指出，后處理的難主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。

第一難，化學(xué)分離難。

在周期表第7周期，錒系元素只占據(jù)其中一格。但僅這一格，就包括了15個(gè)化學(xué)性質(zhì)非常相似的元素，“這些元素就像一個(gè)元素似的，因此分離純化相當(dāng)困難”。葉國安介紹，“錒系元素分離的要點(diǎn)是其價(jià)態(tài)調(diào)節(jié)與控制，特別是镎、钚的價(jià)態(tài)調(diào)節(jié)與控制。因?yàn)轱?、钚都是典型的變價(jià)元素，钚有III、IV、VI三種價(jià)態(tài)，镎有IV、V、VI三種價(jià)態(tài)，不同價(jià)態(tài)可以共存，在輻射場中精確調(diào)整并控制在某一個(gè)價(jià)態(tài)很困難?！贝送?，分離中還要考慮到輻射與試劑相互作用對(duì)分離的影響等?！罢f后處理是最難的一種分離過程，恐怕也不為過?！?/p>

第二難，實(shí)現(xiàn)設(shè)備高可靠性難。

后處理是把放射性元素“打開來”操作，放射性強(qiáng)，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備要求很高，不僅要求高自動(dòng)化水平，還需要高可靠性，最好免維修。這對(duì)于設(shè)備臺(tái)套數(shù)達(dá)到20余萬的后處理廠來說，是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

第三難，技術(shù)集成和穩(wěn)定運(yùn)行難。

后處理本身就是一個(gè)流程化工廠，物流組成復(fù)雜、各成分之間差別大、物流形態(tài)和放射性差別大，導(dǎo)致相應(yīng)的處理工藝、操作手段、防護(hù)要求不一樣，所以它的設(shè)備很多?？梢哉f，后處理是一個(gè)各種高端裝備、檢測(cè)與控制技術(shù)高密度集中使用的場所，如何集成匹配、優(yōu)化運(yùn)行至關(guān)重要。

這是開展后處理工作的難點(diǎn)，也是葉國安30多年攻關(guān)的重點(diǎn)。

葉國安學(xué)放射化學(xué)出身，1986年被分配到中國原子能科學(xué)研究院工作，“一來就分到后處理室，叫做錒系元素化學(xué)與工藝研究室”。

上世紀(jì)80年代，軍工科研艱難，經(jīng)費(fèi)少，人員流失嚴(yán)重。好在有一批老同志兢兢業(yè)業(yè)的堅(jiān)守，葉國安就是在王方定院士等老一輩科學(xué)家?guī)ьI(lǐng)下一步步入了后處理的門。

在葉國安從新兵成長為老將的30多年里，我國的后處理水平也逐步提高，發(fā)生了很大的變化，“研究條件有了改善，建成了核燃料后處理放射化學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái);建成了核電站乏燃料后處理中試廠 ，從軍用后處理轉(zhuǎn)到核電站乏燃料后處理，放射性提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)、鈾钚分離凈化指標(biāo)也相應(yīng)有很大提高，技術(shù)有了很大改進(jìn);分析檢測(cè)技術(shù)取得了很大進(jìn)步，安全監(jiān)管要求也比過去更加嚴(yán)格”。

這其中，有一項(xiàng)與葉國安領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)密切相關(guān)，那就是核燃料后處理放射化學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)CRARL的建設(shè)。

CRARL平臺(tái)，一座開啟未來的方舟

2021年11月3日，2020年度國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，“核燃料后處理放化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)建造關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目榮獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，項(xiàng)目第一完成人葉國安代表團(tuán)隊(duì)領(lǐng)獎(jiǎng)。

核燃料后處理放化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，即CRARL，是為適應(yīng)我國核能進(jìn)一步發(fā)展與核燃料循環(huán)體系建設(shè)打造的一個(gè)綜合性科研平臺(tái)，可用于開展后處理熱實(shí)驗(yàn)及放射化學(xué)研究等。

CRARL的建成令人振奮，“可以做熱實(shí)驗(yàn)了，這是以前想都不敢想的?！比~國安介紹，“后處理工藝技術(shù)研究有一個(gè)規(guī)律，先做分離的小實(shí)驗(yàn)，一般稱為試管實(shí)驗(yàn)，研究基本分離機(jī)理、分離條件;然后把很多元素加在一起，類似于乏燃料的組成，但是不加放射性的核素，做分離工藝研究，每個(gè)工藝段都這樣做;最后再把全部工藝段連接集成起來，用真實(shí)的乏燃料做熱實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和改進(jìn)。”

此前雖有可以開展后處理工藝研究的實(shí)驗(yàn)室——46-戊工號(hào)，但它輻射防護(hù)等級(jí)不夠，設(shè)備老化嚴(yán)重，無法開展核電站乏燃料后處理的化學(xué)與工藝熱實(shí)驗(yàn)。因此在CRARL建成之前，相關(guān)研究只能做前兩個(gè)階段，最后一個(gè)階段的熱實(shí)驗(yàn)始終無法開展。

但是，全流程熱實(shí)驗(yàn)又是驗(yàn)證工藝研究真實(shí)性的關(guān)鍵步驟，必不可少?！爱?dāng)時(shí)印度都可以做，出去開會(huì)他們的研究報(bào)告水平比我們的要高出一大截。法國、美國、日本就更不用說了，他們建有非常完備的實(shí)驗(yàn)設(shè)施，功能非常多，我們羨慕得不得了。”葉國安說，他們一直想建一個(gè)真正的后處理研究設(shè)施。

2003年11月，CRARL立項(xiàng)，此時(shí)的葉國安已經(jīng)擔(dān)任放化所所長。在2000—2001年擔(dān)任室主任期間，他帶隊(duì)完成了“全流程集成及其臺(tái)架溫實(shí)驗(yàn)”任務(wù)，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，滿腔熱情亟待揮灑。

這一干就是11年，CRARL平臺(tái)在2014年建成，2015年正式投入使用?！敖ㄖ娣e近一萬平方米，熱室、工作箱增加很多，功能也比原來的多、各類實(shí)驗(yàn)都可以做了，操作放射性物料強(qiáng)度比原來高出很多，對(duì)工作人員的保護(hù)和維修水平等也都上了一個(gè)臺(tái)階，可謂實(shí)現(xiàn)了后處理化學(xué)與工藝研究手段的跨越發(fā)展?！比~國安滿是自豪，“有了這個(gè)平臺(tái)，情況就改觀了”。

葉國安介紹，在這個(gè)平臺(tái)上，可以處理各類高燃耗乏燃料和輻照靶件;可以研究不同后處理方法和工藝;分離的元素不再限于鈾、钚，還可以提取多種元素或核素如镎、镅、鋦、鍶90、钚238等;還可以開展高溫熔鹽化學(xué)與干法后處理工藝研究;分析方法和放射性廢物處理方法的研究范圍也大大拓展。這是一扇門，我國先進(jìn)核燃料循環(huán)后端技術(shù)的進(jìn)一步研究從這里開始。

自2015年9月開始首次熱試驗(yàn)，CRARL迄今已開展多次工藝熱實(shí)驗(yàn)，取得了一系列原創(chuàng)性成果，先后完成多項(xiàng)重點(diǎn)研究任務(wù)，“其使用大大超出了原來的預(yù)期，為我國相關(guān)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)解了燃眉之急，提供了急需的設(shè)計(jì)輸入”，取得了巨大的綜合效益。

現(xiàn)階段，開展任務(wù)型研發(fā)工作的同時(shí)，他們還在圍繞CRARL平臺(tái)開展深入研究，比如新后處理分離方法研究，進(jìn)一步提高分離效率、縮短工藝流程，減少廢物量、提高后處理經(jīng)濟(jì)性等;進(jìn)一步分離多種有價(jià)值元素，如次錒系元素镎镅鋦和鍶90等;此外還進(jìn)行后處理分析方法改進(jìn)、廢物處理技術(shù)特別是冷坩堝玻璃固化研究等。

同時(shí)，葉國安領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)按照我國核能“熱堆-快堆-聚變堆”三步走戰(zhàn)略，“結(jié)合快堆開發(fā)新一代干法后處理技術(shù)，在快堆-干法后處理核燃料循環(huán)中實(shí)現(xiàn)循環(huán)時(shí)間更短，縮短提高鈾資源利用率的時(shí)間，為我國核能盡快實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模發(fā)展提供技術(shù)保障?！?/p>

“兩條辮子三個(gè)攤子”搭建的組織力

后處理是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，通力協(xié)作是開展這項(xiàng)工作的前提。以熱實(shí)驗(yàn)為例，不提前期的基礎(chǔ)和分段研究，僅最后的集成實(shí)驗(yàn)就是一項(xiàng)“大工程”。

實(shí)驗(yàn)前要做好準(zhǔn)備，包括乏燃料、設(shè)備、試劑和分析檢測(cè)方法的準(zhǔn)備，安全方面的準(zhǔn)備;實(shí)驗(yàn)開始，需要整個(gè)工號(hào)高效運(yùn)行，各方面配合，上千個(gè)分析樣品取樣、密封、遠(yuǎn)距離傳輸，容不得半點(diǎn)差錯(cuò);實(shí)驗(yàn)完成后，1600多個(gè)樣品要分析，取得工藝數(shù)據(jù);最后還要廢物處理整備，“完成整個(gè)工作要大半年的時(shí)間，往往需要幾百人協(xié)同作戰(zhàn)”。每到這個(gè)時(shí)候，也是考驗(yàn)葉國安這個(gè)領(lǐng)頭人組織能力的時(shí)候。

在多年的工作實(shí)踐中，葉國安總結(jié)出了“兩條辮子三個(gè)攤子”的管理方法?！稗p子就是工藝和分析，攤子就是設(shè)備、設(shè)施、安全，分別指定負(fù)責(zé)人和助手各管一攤，再把老先生組織起來討論、把關(guān)。”這些經(jīng)驗(yàn)還是在“全流程集成及其臺(tái)架溫實(shí)驗(yàn)”任務(wù)時(shí)積累下來的，后來不斷完善沿用至今。

同樣沿用下來的，還有錒系元素化學(xué)與后處理工藝研究團(tuán)隊(duì)以技術(shù)需求為牽引的成長原則。“一個(gè)團(tuán)隊(duì)要不斷有需求牽引，才有前進(jìn)的動(dòng)力。牽引我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)前進(jìn)的，就是國家后處理事業(yè)的發(fā)展。”葉國安介紹，自“九五”至今，錒系元素化學(xué)與工藝研究一直都有技術(shù)研發(fā)需求作牽引，國家的需要就是團(tuán)隊(duì)前進(jìn)的目標(biāo)。

在各級(jí)部門的支持下，團(tuán)隊(duì)以任務(wù)帶學(xué)科，再以學(xué)科培養(yǎng)人才，逐步壯大至今。如今的原子能院錒系元素化學(xué)與后處理工藝研究團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)成長為以首席專家和學(xué)科帶頭人為核心的200余人大團(tuán)隊(duì)。基于CRARL平臺(tái)，團(tuán)隊(duì)能夠開展大多數(shù)錒系元素的基礎(chǔ)研究、分離工藝與分析測(cè)量方法研究，以及放射性廢物處理技術(shù)研究等，在國內(nèi)核燃料后處理領(lǐng)域獨(dú)一無二。

團(tuán)隊(duì)成長還有一點(diǎn)很重要，那就是團(tuán)隊(duì)的內(nèi)部管理。錒系團(tuán)隊(duì)注重學(xué)術(shù)氛圍培育，是一支以技術(shù)說話的團(tuán)隊(duì)，以技術(shù)水平、技術(shù)能力優(yōu)先，技術(shù)上不搞花架子，干工作實(shí)事求是、腳踏實(shí)地。

錒系元素化學(xué)與后處理工藝研究團(tuán)隊(duì)還注重外部交流，包括國際交流。后處理是個(gè)應(yīng)用性很強(qiáng)的大專業(yè)，從應(yīng)用的角度來審視自己的工作讓葉國安獲益良多。因此，只要有機(jī)會(huì)，他就帶領(lǐng)大家到工廠 、設(shè)計(jì)院、高校、科學(xué)院等單位交流，“接受他們挑毛病”。同時(shí)，作為國際原子能機(jī)構(gòu)核燃料循環(huán)技術(shù)工作組專家，葉國安已參加多次專家年度會(huì)議，也帶領(lǐng)國內(nèi)同行多次參加大型國際溶劑萃取、后處理、放射化學(xué)等方面的會(huì)議，積極參加中法后處理、中俄核燃料循環(huán)等方面的合作會(huì)談?！巴ㄟ^這些交流看看國際水平是怎么回事，對(duì)我們工作很有幫助”。

針對(duì)人們對(duì)核的恐懼、對(duì)后處理廠建設(shè)的“鄰避效應(yīng)”心理，葉國安直言：“我可以負(fù)責(zé)任地告訴大家，后處理雖然是把放射性‘打開來’操作，但卻是相當(dāng)安全的，現(xiàn)在的工程技術(shù)手段完全可以把放射性屏蔽起來并密封住，可以做到對(duì)操作人員、環(huán)境和生物圈沒有影響。而后處理廠 ，也會(huì)在技術(shù)上采取多種安全措施防止核臨界事故和其他事故。最重要的，后處理操作的核材料與爆炸裝置不一樣，它們不是緊緊篐縮在一起的，而是散裝或流動(dòng)的，所以不會(huì)爆炸，也絕不會(huì)發(fā)生像原子彈甚至切爾諾貝利核電站那樣的核臨界爆炸事故。”

葉國安一再強(qiáng)調(diào)，后處理是一項(xiàng)切實(shí)有益于國家能源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的技術(shù)，應(yīng)該得到正確的認(rèn)知與理解，而自己的團(tuán)隊(duì)將會(huì)為這項(xiàng)技術(shù)的更長遠(yuǎn)發(fā)展砥礪奮進(jìn)。