 耿彤 2013年4月东海对抗高潮时，包括石原在内的日本右翼一再发出发展核武器的呼声。其之所以敢冒天下之大不匙，是因为日本六所村核设施即将全能力投入运营，这将使日本核材料加工和处理能力上到一个新高度，也使日本距离核武器更接近一步。那么，六所村的核设施有什么样的秘密呢？ 日本核燃料加工处理能力的发展 日本的核燃料加工与处理能力是与其快速发展的核电工业密切相关的。日本过去几乎完全依赖化石燃料的进口，进口能源约占80%。为摆脱这种情况，日本在1954年启动核研究计划，用于核能的预算达到2.3亿日元。1966年日本第一座商用核电站开始运行，到2005年已建成54座反应堆，核电规模仅次于美国和法国。长期的核电发展也使日本成为各种类型反应堆集中的国家。目前，日本在运行的反应堆中有沸水堆、压水堆、先进沸水堆、先进热反应堆(ATR)原型堆（世界上第一座采用全混合氧化物MOX燃料堆芯的热堆)、快中子增殖堆，高温工程试验堆等。在福岛事故发生前，日本在建核电站3座，另规划建设12座，计划核电比例提高到42%。在长期的众多核电站运行中，产生了数量庞大的未耗尽核燃料，而同时日本还要大量进口全新的核燃料。为此日本制定了核燃料再生计划，以最大程度地利用进口的铀。日本从法国引进技术，率先在东京北面的东海村建设了试验性的核处理设施。 东海村是日本高放废物处理和处置研发的主要场地，它以日本第一次较大核事故而闻名于世。1999年9月30日上午10点35分，日本东海村JCO公司的一座铀转换厂的工人违反操作程序，把富集度18.8%的铀溶液(相当于含16千克铀)直接倒入沉淀槽中。由于铀量超过其临界质量的2.9倍，当即产生蓝白色的闪光，现场产生了γ和中子辐射。这次临界事故使现场93名工作人员受到不同程度的核辐射，其中2人先后不治身亡。虽然这里的试验性研究和生产工作不尽人意，但其为以后的大规模商业生产奠定了基础。此时日本核电站用过的乏燃料的后处理大部分由英国核燃料有限公司和法国康吉玛公司在欧洲进行，制成MOX(全混合氧化物燃料)后运回日本，同时经过玻璃固化的高放废物也被运回处置。此过程不但成本巨大，而且过程危险，鉴于此，利用东海村经验建设商业性核处理设施的问题提上了日程。 商业性的六所村综合设施 1980年，日本组建了日本核燃料服务公司，并选择北部的青森县六所村作为商业后处理厂的厂址。该厂于1993年开始建造，2006年成为一座完全商业规模的后处理厂（见题图）。但在热试中出现了玻璃熔炉的出口管嘴阻塞、耐火砖脱落、高放废液泄漏等情况，热试工作中止。为此日本核燃料公司多次向经产省申请延迟六所村后处理厂的投运日期，而福岛核事故使这一工作再次遭受打击。但总的看，六所村核设施使日本只要从国外进口铀原料，就可以在国内实现核燃料从加工、使用到最终废料掩埋储存的完全循环。  六所村处理厂的选址与组成 日本在建设六所村核设施之前有3个铀燃料元件制造厂和1个后处理厂，1个低放废物处理场。六所村建成后，所有的核生产与处理将集中到这里。六所村是一个人口1.9万人，面向太平洋的小寒村，一年之中有1/3时间被白雪覆盖。也许太过偏远，无论是一般铁路还是东北新干线都选择从它前面转身而过，倒是从距离这里40分钟车程的美军三泽空军基地起飞的F-15经常在村庄上空肆无忌惮地翻转飞行。过去这里以渔业、农业为主导，而现在的六所村几乎所有的就业和收入都是由核废料再加工带动的。那么，日本为何选中这块近乎不毛的地方呢。 选址 上世纪70年代，在日本经济腾飞伊始之际，日本政府大量收购了六所村的廉价土地，并在这里一口气盖了51座大型储油罐，作为国家战略储油基地。此外，还建设了大型风力发电厂。但是此后遭遇石油危机，以石油基地和石化工业为主导的开发计划严重受挫，这使当地经济遭到严重打击。进入80年代中期，日本大力发展核电事业，急需建设与之配套的核燃料加工、后处理设施，这片政府已经花过钱的土地再次被人们想起。1984年7月，日本电力事业协会向六所村提出建设申请，经过短短6个月，六所村地方政府就得出了“欢迎核燃料建设”的结论，3个月后青森县政府即批准核循环基地落户六所村。 日本政府之所以选择这里作为核活动基地，主要是看中这里独特的地理和地质环境。在地质结构上，这里是日本全境内较少的地震非活跃地带，而且地下岩层紧密，基岩稳定，不易发生地质断裂和渗漏。而在地理环境上，这里人口不算密集，也不在主要交通干线上，即使发生事故也不会造成太大影响。重要的是其面临西太平洋，一方面其可以稀释可能的核污染，另一方面其可以作为重要的核原料、核废料的安全运输途径。目前所有核废料基本都是沿海路从全日本各地的核电站运送到这里的。 组成 六所村核设施耗资2.19万亿日元兴建，目前基本已建成铀浓缩厂、核燃料后处理厂、低放废物处置中心及高放废物处理中心。正在建设的是铀钚混合物MOX燃料厂。2011年3月日本大海啸期间，乏燃料后处理厂核燃料储存池约600升水在建筑物内溢出，所幸没对建筑外部造成放射性污染。  六所村核设施的运行 虽然日本发生了一系列核事故，但其还是要在核电工业发展的道路上走下去。而六所村在这一道路中扮演着重要角色，主要担负以下几项重要作用。 铀浓缩 由于日本没有铀矿，因此其铀原料需要大量进口，而铀浓缩是加工进口铀矿石或粗铀原料的重要过程，也是所谓核燃料循环过程的起点。铀的天然浓度是0.7%，而在大多数通用商业核电厂中，持续链式反应的浓度通常需要达到3.5%，这意味着必须提高易裂变铀235的浓度，然后才能将其制成燃料。铀浓缩过程大致为：铀矿石一重铀酸铁(黄饼)一二氧化铀一四氟化铀一六氟化铀一浓缩铀。其中技术难度最高的是最后一步)提纯浓缩铀.35，因为元素的各种同位素如同孪生姐妹，物理性质和化学性质都相似，采用各种物理或化学提纯方法都收效甚微，代价却很高。通过长期实践，目前已经发现了多种浓缩方法，但应用最广的是气体离心法，这也是包括六所村在内的日本大多数设备采用的方法。 在这类工艺中，六氟化铀气体被压缩通过一系列高速旋转的圆筒或离心机。铀238同位素重分子气体比铀235轻分子气体更容易在圆筒的近壁处得到富集。在近轴处富集的气体被导出，并输送到另一台离心机进一步分离。随着气体穿过一系列离心机，其铀235同位素分子被逐渐富集。与其它方法相比，气体离心法所需的电能要小很多。六所村铀浓缩厂投入运营后，日本的铀浓缩工作进展非常快，该厂年产满足要求的浓缩铀达到1500吨，可供十余座核电站用。 乏燃料后处理 在核电厂，乏燃料并不等于核废料，其中含有许多有用的物质，如没有“烧净”的铀235，以及新生的俘获产物和裂变产物等。在俘获产物中，有钚的各种同位素，在裂变产物中，有锶、铯等，都是可利用的同位素。此外还有大量的铀238等。乏燃料的后处理，就是从中找回宝贵的可裂变材料(铀235、钚239等)和可转换材料(铀238等)，以便再制造成新的燃料元件，这将大大提高核燃料的利用率。通常压水堆核电站铀资源的利用率仅为0.37%，如果对乏燃料进行后处理，用新得到的铀在压水堆中再循环一次，可节省天然铀25%。此外这还可以降低其放射性，减轻环保负担。如果将装机容量为百万千瓦的核电站运行一年所产生的30吨乏燃料不直接储存而是先进行后处理，则其高放废物可以浓缩在约十立方米的玻璃体中。而且其放射性水平大大降低，比较“顽固”的长寿命放射性核素减少，有利于放射性废物的处置。 由于乏燃料具有强放射性，需要采用远距离的方式操作和控制，这增加了工厂的投资。由于涉及到易裂变物质，需要严加防范避免达到核临界状态。乏燃料在运抵六所村前，需要在各自工厂中冷却1年多时间，在其被切割前要冷却4年多。产品经过提纯、脱硝，生成可储存的铀和钚产品，而产生的高放废物经过烧结和包裹，形成固化(玻璃化)体，运往高放废物储存中心。自1999年开始，乏燃料就被存放在六所村(向欧洲的乏燃料运输于1998年终止，以等待六所村后处理厂建成)。六所村后处理厂目前每年能处理800吨乏燃料，这些乏燃料平均钚含量超过0.9%。  混合氧化物燃料的制作 铀钚混合燃料也就是MOX燃料（混合氧化物燃料）。MOX燃料是一种巧妙利用核裂变产物而设计的特种核燃料。传统的反应堆以铀235为燃料，但自然界铀储量的98%都是无法利用的铀238。MOX燃料是由7%的钚和93%的铀238混合制成的。设计的巧妙之处在于，将核废料里的钚以及自然储备更多的铀238给利用了起来。使用MOX燃料的是所谓的快堆，其中有效利用的是钚239，钚239发生裂变时放出来的快中子会被装在反应区周围的铀238吸收，又变成钚239。这就是说，在堆中一边消耗钚239，又一边使铀238转变成新的钚239，而且新生的钚239比消耗掉的还多，从而使堆中核燃料变多，实现增殖，因此该反应堆也称增殖快堆。目前，各国发展的主要是用MOX作燃料、用液态钠作冷却剂的快中子增殖堆，它的倍增时间是30多年。也就是说，只要添加铀238，每过30多年，快堆核电站燃料就可翻一番。 理论上，快堆可将铀238、铀235及钚239全部加以利用，并将铀的利用率提高到60%-70%，比热堆中的压水堆高140倍，比重水堆高70倍以上。目前，全世界每年约有70吨可用来生产MOX燃料的钚被当作核废料倾倒，其中2/3的物质具有放射性，难以处理。但MOX燃料也有一些缺点：它的放射性元素浓度更高，并且与常规核燃料相比能够升到更高的温度，因此要关闭使用这种燃料的核电站，需要应对更多来自核燃料棒的剩余热量，这就是在2011年福岛核电站事故中，专家更加担心采用MOX燃料的3号反应堆的原因。 日本电力公司和核燃料有限公司在六所村后处理厂附近建立了MOX厂，年设计能力是处理130吨。该厂生产的MOX中钚含量为5%-10%，将使用六所村后处理厂制造的50:50铀钚混合氧化物粉末作为原料，然后加入六所村浓缩厂储存的反应堆用过的铀进行稀释，再制作燃料弹丸，组装成燃料棒。  高放废物储存 高放废物主要来自于后处理厂、MOX燃料制造厂，以及各地反应堆退役，甚至是乏燃料。这种废物放射性强，且会产生大量热量，因此处理较为困难。日本六所村在乏燃料后处理厂的最后环节中，有专门的设施将放射性废液、废物与玻璃原料混合、使其形成较易于处理的稳定形态，然后再经高温熔化、装入不锈钢容器、凝固成为玻璃固化体。玻璃固化体具有较强放射性，并伴随着放热现象，放射性会缓慢衰减，1000年后会衰减到约1/3000，10万年后衰减至1/30000。隔离玻璃固化体最好的办法就是深地层掩埋。一是地下深层与地表相比，不易受人类活动及自然现象的影响。二是地下深层几乎没有氧气，很难发生化学反应。三是深层地下水流动缓慢，物质不容易发生迁移。此外，地下基岩可以长时间保持稳定，因此把玻璃固化体装入金属容器、覆上缓冲材料粘土(人工屏障)、埋藏在地下深层的稳定基岩(天然屏障)中长期隔离。到2020年前后，预计日本产生的乏燃料将会相当于4万个玻璃固化体，因此六所村高放废物处理中心在日本核电中将发挥更大作用。  六所村核加工处理能力的军事潜力 获取核材料 美国普林斯顿大学一名研究核不扩散的专家西普尔认为，日本如果不重新加工，而是选择进口铀燃料，成本会更低，也更方便，而且把核废料储存在混凝土桶里，再经空气冷却，也比运到青森县更安全。但日本仍坚持建设六所村这样的核设施，主要是因为六所村的建设使日本具备了乏燃料后处理和长期储存的能力，从而使其拥有了向国际社会引进更多核原料的理由。六所村设施建成后，日本不再将乏燃料运出国境，而是在各电站和六所村储存起来，等待后处理厂逐年缓慢处理。而与此同时，众多核电站使日本仍有理由从海外进口核燃料，从而使日本可以合法积累核材料。 发展铀浓缩能力 六所村铀浓缩厂规模在全球范围内也属较大的类型，其生产能力使日本浓缩铀能力翻了一番还多。武器级铀的丰度在93%左右，而科研计算表明，将浓缩铀丰度从商业要求口在建的后处理厂的0.7%至2%之间提高到丰度2%至93%之间所需要的分离功是相同的，因此浓缩过程不是线性的，这意味着在能够随时获得商用浓缩铀的情况下，达到武器级浓缩铀的工作量可减少到不足一半，而铀的供料量可减少到20%以下。也就是说增加离心机级联，并稍加技术改进，日本就可以实现武器级浓缩铀的生产。可见，日本一方面通过铀浓缩生产了大量的原料六氟化铀日本自开始铀浓缩以来已获得六氟化铀1406吨（截至2005年3月底）。另一方面，六所村铀浓缩厂的建设使日本具备了一定的武器级铀浓缩生产技术和设备。 掌握钚提取技术 日本在核能发展中坚持原料自主化政策，因此其在增殖快堆建设和MOX燃料生产上表现积极。20世纪60年代，比利时、法国、美国、意大利、德国、日本和印度等国纷纷建立实验室，开发供增殖快堆使用的MOX燃料，1970~1985年国际上形成了快堆MOX燃料的研究高潮。支持MOX燃料快堆的科学家认为，自然界中存在的易裂变铀235用完是迟早的事，因此必须在这之前找到铀235的替代燃料。快堆因为能利用另外99%的铀238，大大增加了核燃料的量。但从目前来看，从乏燃料中提取钚239成本很高，MOX燃料价格一般要比低浓铀燃料高3~6倍。而擅长算经济账的日本人却坚持走这条道路，即使在当前各国增殖快堆发展逐步萎缩的情况下，仍坚持要生产MOX燃料。外界猜测主要原因是MOX燃料生产需要从乏燃料中提取钚239，这种技术可以用来制造核武器原料，因此美国和欧盟的一些国家对这项技术十分敏感，而日本也通过六所村的建设建成了大规模的钚提取设施。 储存钚原料 由于有大量研究堆与核电站反应堆机组运行，日本钚储量逐年快速增长。从1994年底原子能委员会公布的库存分离钚约13吨开始，到2010年底钚产量达到约85吨，减去计划需求量(制成MOX商业堆和其它用途)后，仍有50多吨库存量。日本现行的模式是在20年后对已在核电站使用5年的乏燃料进行再处理，加工成MOX燃料进行再利用。但如今六所村再处理工厂的乏燃料处理能力仅为800吨/年，只能处理日本核电站产生的乏燃料的大约一半。而且六所村现在已经累积了约3000吨乏燃料，正在排队等待再处理，处理这些存货据说需20年。而日本拥有的几十吨钚够制造几千枚核弹（5~10千克可制造1枚核弹）。这些钚绝大部分为反应堆级钚，但反应堆级钚也可用于制造核弹，这在1962年美国核试验中已经证实。这就是石原扬言日本可拥有千枚核弹的物质基础。  《兵器知识》2013年7期 |
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