發布時間：2021-03-17所屬分類：經濟論文瀏覽：1次
摘 要： [摘要]本文基于釷燃料循環的先進反應堆概念，系統調研和分析了印度、加拿大、挪威等國家最新發布的釷基燃料循環相關計劃和研究報告，同時對釷基核燃料循環領域的科學論文和專利文獻進行了定量分析。綜合定性調研和定量分析，建議我國結合中國國情，加強整體
[摘要]本文基于釷燃料循環的先進反應堆概念，系統調研和分析了印度、加拿大、挪威等國家最新發布的釷基燃料循環相關計劃和研究報告，同時對釷基核燃料循環領域的科學論文和專利文獻進行了定量分析。綜合定性調研和定量分析，建議我國結合中國國情，加強整體規劃，制定我國釷基核燃料循環研究的國家發展戰略，進一步拓展國際合作內涵，規劃優先發展的基礎實驗研究，部署釷燃料元件制造技術、釷燃料反應堆裂變產物及其放射性物質處理技術方面的前瞻性研究。
[關鍵詞]釷基核燃料循環核燃料增殖核安全文獻計量發展態勢分析
1引言
核能開發是我國的一項既定政策，發展核能離不開核燃料。而鈾在自然界的儲量很小。而作為核燃料的釷的儲量是鈾的3～4倍，目前為止還沒有進行大范圍商業化的開發和利用，而且較之鈾礦更易于開采;釷還是一種更為高效的燃料源，鈾在進入反應堆之前必須經過高濃縮，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的轉化效率要遠高于238U-239Pu的轉化。釷氧化物(ThO2)比鈾氧化物(UO2)更加穩定，釷基燃料裂變產物的釋放率比鈾的要低一個數量級。在德國、美國和英國的高溫氣冷堆實驗運行過程中，釷燃料(ThO2,(Th,U)O2,ThC2和(Th,U)C2)已經有很好實驗基礎。釷燃料循環中乏燃料232U的半衰期只有73.6年，因此其具有內在的反核擴散特征。來自釷1引言燃料加速器驅動系統(ADS)的核廢料，在其前三萬年的冷卻時間中，毒性比同樣是鈾燃料的ADS要低30倍。同時，與鈾燃料循環相比較，釷燃料循環只產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燃料。釷基燃料在反應堆內可允許更高的燃料芯塊溫度和更深的燃耗，釷基核燃料對各種堆型的適應性較好，無需對現有反應堆的燃料組件和結構材料等做重大改變。但釷—鈾燃料循環工藝尚不成熟，還沒有建立工業體系，至今尚未真正用于世界各國的核能生產。
釷基燃料循環的研發工作已經進行了50多年，取得了大量的試驗研究成果，但其規模遠小于鈾燃料和鈾/钚燃料循環的研究。美國、英國、德國、印度、日本、俄羅斯、荷蘭等國都在進行這方面的研究工作。有關國家還在實驗堆中進行了將釷燃料輻照至高燃耗的研究，并且有幾座實驗堆部分或完全裝載了釷基燃料。
用于不同反應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混合氟化物作為燃料和主要冷卻劑以外，其他所有反應堆均使用固體燃料，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主要包括“粉球”路線、“振動溶膠”路線、“溶液-凝膠微球體”制粒工藝和滲透技術。
2釷基核燃料的重要實驗研究與發展戰略
2.1有關釷基核燃料的重要實驗研究
國際上開展的有關釷基核燃料的重要實驗研究以高溫氣冷堆居多，另外還有幾個快中子反應堆使用釷基核燃料的實驗研究，如表1所示。
2.2各國釷基核燃料循環研究戰略與計劃
2.2.1印度釷燃料循環計劃
印度由于其豐富的釷資源儲備，始終熱衷于開發先進的釷基燃料循環技術，并計劃建造9座以釷為燃料的核電廠，使之成為世界上唯一一個同時計劃建造9座以釷為燃料的核電廠的國家。印度基于釷技術的核電計劃集中開發可以使用釷燃料的快中子增殖堆。印度核電發展計劃的目標是開發燃燒U-233和釷的先進重水堆，在可持續“閉合”循環中將釷資源轉化為鈾，并已在實驗室規模下進行過驗證。然后對乏燃料進行后處理，以回收易裂變材料進行再循環。目前，英國也加入到了印度釷研究計劃里來，利用英國工程與物理研究理事會和印度原子能部聯合資助進行五個核能項目研究。
2.2.2加拿大釷燃料研究計劃
加拿大原子能公司在20世紀50年代的CANDU堆開發計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作為其CANDU6、先進CANDU6以及ACR-1000反應堆的候選方案。最具吸引力的CANDU堆釷基燃料循環將是閉式循環，其中包括乏燃料后處理以及對回收的鈾-233和釷進行循環利用。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，以便獲得釷基燃料循環技術方面的經驗，并在乏燃料中積累鈾-233戰略資源。在未來，CANDU堆與快堆的協同作用將使CANDU堆能夠使用快堆產生的易裂變材料。
2.2.3挪威的釷基燃料戰略研究
挪威研究委員會2008年向政府提交了一份題為《將釷作為能源資源——挪威的機遇》的研究報告。報告指出，由于目前已掌握的關于利用釷基燃料發電以及這種資源的地質分布的資料太少，因此還不能確定釷資源對挪威的潛在價值。報告明確指出，釷基核燃料費用在整個發電成本結構中所占的比重將比較小，與鈾燃料費用相當甚至更低。開發釷基核能系統的主要經濟挑戰是相關研發工作能否獲得充足的資金。建議，“應當認識到核能對可持續能源未來的潛在貢獻;評估挪威巖石中的釷是否是可用于未來發電的經濟資產;并鼓勵在Halden研究堆中開展釷基燃料試驗”。報告還建議，“應當加強國際合作，例如參加關于適合使用釷基燃料的第四代反應堆的研究工作，并積極參加歐盟對使用釷基燃料的加速器驅動系統(ADS)的研究工作”。還提議，“應該使釷基燃料方案保持開放，并將其作為對鈾燃料方案的一個有益補充，以增強核能的可持續性。”
3釷基核燃料循環論文統計與主題挖掘分析
3.1數據來源及方法說明
本次分析采用的數據庫為WebofScience(包括ScienceCitationIndexExpanded和ConferenceProceedingsCitationIndex數據庫)，利用關鍵詞結合領域分類的方式檢索了所有在釷基核燃料循環研究方面發表的論文。數據檢索時間為2010年11月22日，共檢索到有效數據1422條，覆蓋時間段為1956-2010年。
分析利用湯森路透公司開發的數據挖掘和可視化工具ThomsonDataAnalyzer(TDA)及社會網絡分析軟件UCINET等工具對數據進行了統計分析、主題因子分析、趨勢分析和國家、機構合作分析等，并進行了可視化表達。
3.2釷基核燃料循環研究論文結構分析
3.2.1研究主題結構
主題因子分析2以標題切詞得到的短語和作者關鍵詞為研究主題，利用ThomsonDataAnalyzer工具，對1422篇釷基核燃料循環研究論文的研究主題進行了因子分析。具有重要影響而且研究主題高度相關聯的標題短語和作者關鍵詞生成了因子地圖(如圖1所示)。
標題反映了論文的主要內容和強調的觀點，因此利用論文標題進行切詞可以對研究內容的相關性加以分析。圖1為釷基核燃料循環論文標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”構成了一個共性主題，表明U-233和U-238的增殖反應和反應率的敏感性方面的研究之前都主要以大量數據的收集和實驗的精確驗證為主。短語“U-233-TH”與“MetallicCombinations”構成了一個共性主題，表明鈾釷混合燃料循環的金屬合成是一個關鍵的研究主題。以“long-livedfissionproducts”與“thermalneutronfissionedU-233”為核心短語，與“Th-232”、“I-134”、“Np-237”構成了一個共性主題，表明釷的增殖及釷燃料反應堆裂變產物中I-134和Np-237的分離是一個關鍵的研究主題。
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了每位作者對論文的貢獻程度，因此分析論文第一作者所在國家，能夠更深刻地反映各個國家在釷基核燃料循環研究方面的影響力和實力。
相關期刊推薦：《科學觀察》是反映世界科學發展態勢的權威學術期刊，主要利用定量方法對世界科學發展態勢和科學前沿發展動態進行觀察，為科學家提供視野更加寬闊的世界科學面面觀，為國家科技決策機構和科技管理部門提供科技戰略決策理論支撐和參考信息。主要欄目：中國及世界科學發展態勢、科學前沿及熱點分析、專利分析、研究機構聚焦、領銜科學家、科學家訪談等。
表2根據第一作者列出了論文數量排名前10的國家，共發表釷基核燃料循環論文947篇，分別分布在58個國家(如表3所示)。論文數量排名前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個國家在整體上大致可以劃分為三個集團：第一集團為印度和美國;第二集團日本、土耳其、法國;包括中國在內的其他6
國為第三集團。從發文數量來看，印度遙遙領先于美國，印度在釷基核燃料循環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，處于領先的第一集團地位，這反映了這三個國家對釷基核燃料循環研究的重視程度，以及這些國家在這個領域的研發能力。土耳其(504次)、日本(456次)、德國(335次)這三個國家僅次于法國，構成了論文總被引頻次的第二集團，基本符合人們對這些國家釷基核燃料循環研究能力的認識。包括中國在內的其余4個國家處于論文總被引頻次的第三集團，總被引頻次都不超過300次。從篇均被引頻次看，這10個國家分成兩個集團。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。中國與德國、俄羅斯、巴西、意大利處于第二集團。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指數方面，法國(15)、印度(13)、美國(12)、土耳其(12)、日本(11)處于第一集團，這些國家代表了當前世界釷基核燃料循環研究影響力比較大的幾個國家，也比較客觀地反映了上述國家在釷基核燃料循環研究方面的重要性。中國的H指數為6，排在第8位，僅高于俄羅斯與巴西。
釷基核燃料循環作為未來核能發展很有潛力和競爭力的技術選項之一，很多國家都做了相關基礎的研發工作，推動了相關研究和技術的發展。因此，除了分析第一作者發表論文排名前10的國家，對其他發表相關研究論文的國家也進行了分析，以了解釷基核燃料循環研究總體的分布態勢。其中，只分析以第一作者發表論文2篇及以上的國家。
除表2中的10個國家外，共有33個國家產出了2篇以上的論文，表3對這些國家進行了歸類，給出了相關信息�？梢钥闯�，歐洲對于釷基核燃料循環的研究活動相對活躍，21個國家都有相關研究成果發表，特別是比利時、瑞士、瑞典、白俄羅斯等國家;亞洲也有6個國家產出了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個國家分別是埃及、摩洛哥和南非，其中埃及表現突出，發表論文數量僅次于前10國家;北美洲有2個國家，分別是加拿大和墨西哥;澳大利亞也以第一作者產出了5篇釷基核燃料循環的論文。
(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，一個國家的國際合作水平與該國科學技術的發展水平密切相關，同時也與該國的政治、經濟和社會的發展水平有關。本報告主要通過國際合作的論文數量、合作國家數量、合作最多國家這三個指標考察各個國家的國際合作情況，如表4所示。
從國際合作論文數量指標來看，美國以53篇高居第一位，其次是法國的37篇和日本的27篇，反映了這三個國家在釷基核燃料循環研究領域的國際合作能力和影響力。
在論文數量前10國家中，美國的論文數和國際合作論文數量都是最多的，合作國家數也很多，共與27個國家合作了53篇論文，說明美國的國際合作研究非�；钴S，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研究方面合作關系非常緊密。美國、俄羅斯、法國、日本、德國合作發文量都比較多，國家間的合作比較緊密。印度發文量多但合作論文很少。中國等其余各國的合作發文量也較少。
由圖2可以看到，美國、法國、德國、日本、俄羅斯是整個國際合作網絡的中心，說明這些國家有較強的國際合作意愿，也從側面反映了這些國家在這個研究領域的國際影響力。美國、日本、俄羅斯之間，法國和德國之間在釷基核燃料循環方面的合作最緊密，合作強度達到10及以上(在圖中以綠色線標示)。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，合作強度達到7及以上(在圖中以紅色線標示)。比利時、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，合作強度在5以上。而希臘、葡萄牙、捷克共和國與多國進行了系列合作，美國、法國、德國、日本、比利時、意大利、西班牙、奧地利等國家也與更多的國家進行合作，合作強度在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，但合作強度在3以下(無連線)。
3.2.3論文的第一作者機構分布
第一作者機構是指論文中第一作者所在的機構。論文作者的排名體現了每位作者對論文的貢獻程度，因此分析論文第一作者所在機構，能夠更深刻地反映各個機構在釷基核燃料循環研究方面的影響力和實力。
作為第一作者機構的論文數量能夠更深刻反映一個機構的科研影響力。如表5所示，第一作者論文數量前5名的機構分別是印度巴巴原子能研究中心(93篇)、美國橡樹嶺國家實驗室(23篇)、土耳其加齊大學(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名機構中只有除了印度巴巴原子能研究中心的論文數量遙遙領先外，包括第2~5名在內的其他機構的論文數量差距并不是很大。
從論文第一作者機構的總被引頻次看，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(224次)、日本原子能研究院(184次)、土耳其埃爾吉耶斯大學(178次)分列2~4位。從表5看到，這20家機構可以劃分為兩個集團。其中，印度巴巴原子能研究中心(397次)、土耳其加齊大學(224次)、日本原子能研究院(184次)、土耳其埃爾吉耶斯大學(178次)、法國巴黎大學(157次)、德國卡爾斯魯厄研究中心(157次)、美國阿貢國家實驗室(135次)、瑞士保羅謝勒研究所(135次)等機構總被引頻次均超過100次，屬第一集團。其余各國屬第二集團。
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(16.18)、瑞士保羅謝勒研究所(15)、法國巴黎大學(14.27)、土耳其加齊大學(11.2)、比利時的歐洲共同體委員會(10.63)、美國阿貢國家實驗室(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
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