[摘要]本文基于钍燃料循环的先进反应堆概念，系统调研和分析了印度、加拿大、挪威等国家最新发布的钍基燃料循环相关计划和研究报告，同时对钍基核燃料循环领域的科学论文和专利文献进行了定量分析。综合定性调研和定量分析，建议我国结合中国国情，加强整体规划，制定我国钍基核燃料循环研究的国家发展战略，进一步拓展国际合作内涵，规划优先发展的基础实验研究，部署钍燃料元件制造技术、钍燃料反应堆裂变产物及其放射性物质处理技术方面的前瞻性研究。
[关键词]钍基核燃料循环核燃料增殖核安全文献计量发展态势分析
1引言
核能开发是我国的一项既定政策，发展核能离不开核燃料。而铀在自然界的储量很小。而作为核燃料的钍的储量是铀的3～4倍，目前为止还没有进行大范围商业化的开发和利用，而且较之铀矿更易于开采;钍还是一种更为高效的燃料源，铀在进入反应堆之前必须经过高浓缩，而所有的钍都是可直接利用的核燃料。232Th的热中子吸收截面是238U的3倍，因此232Th-233U的转化效率要远高于238U-239Pu的转化。钍氧化物(ThO2)比铀氧化物(UO2)更加稳定，钍基燃料裂变产物的释放率比铀的要低一个数量级。在德国、美国和英国的高温气冷堆实验运行过程中，钍燃料(ThO2,(Th,U)O2,ThC2和(Th,U)C2)已经有很好实验基础。钍燃料循环中乏燃料232U的半衰期只有73.6年，因此其具有内在的反核扩散特征。来自钍1引言燃料加速器驱动系统(ADS)的核废料，在其前三万年的冷却时间中，毒性比同样是铀燃料的ADS要低30倍。同时，与铀燃料循环相比较，钍燃料循环只产生很少量的超铀元素废物，也更加容易控制和处理。因此钍未来很有可能替代铀成为主要裂变燃料。钍基燃料在反应堆内可允许更高的燃料芯块温度和更深的燃耗，钍基核燃料对各种堆型的适应性较好，无需对现有反应堆的燃料组件和结构材料等做重大改变。但钍—铀燃料循环工艺尚不成熟，还没有建立工业体系，至今尚未真正用于世界各国的核能生产。
钍基燃料循环的研发工作已经进行了50多年，取得了大量的试验研究成果，但其规模远小于铀燃料和铀/钚燃料循环的研究。美国、英国、德国、印度、日本、俄罗斯、荷兰等国都在进行这方面的研究工作。有关国家还在实验堆中进行了将钍燃料辐照至高燃耗的研究，并且有几座实验堆部分或完全装载了钍基燃料。
用于不同反应堆的钍燃料元件之间存在较大差异。除了熔盐增殖堆使用液态混合氟化物作为燃料和主要冷却剂以外，其他所有反应堆均使用固体燃料，这种固体燃料是一种微小的“陶瓷燃料微球体”(100～1000µ)、“陶瓷燃料球芯块”或“金属合金燃料棒”。制造二氧化钍和氧化钍基混合氧化燃料元件的技术主要包括“粉球”路线、“振动溶胶”路线、“溶液-凝胶微球体”制粒工艺和渗透技术。
2钍基核燃料的重要实验研究与发展战略
2.1有关钍基核燃料的重要实验研究
国际上开展的有关钍基核燃料的重要实验研究以高温气冷堆居多，另外还有几个快中子反应堆使用钍基核燃料的实验研究，如表1所示。
2.2各国钍基核燃料循环研究战略与计划
2.2.1印度钍燃料循环计划
印度由于其丰富的钍资源储备，始终热衷于开发先进的钍基燃料循环技术，并计划建造9座以钍为燃料的核电厂，使之成为世界上唯一一个同时计划建造9座以钍为燃料的核电厂的国家。印度基于钍技术的核电计划集中开发可以使用钍燃料的快中子增殖堆。印度核电发展计划的目标是开发燃烧U-233和钍的先进重水堆，在可持续“闭合”循环中将钍资源转化为铀，并已在实验室规模下进行过验证。然后对乏燃料进行后处理，以回收易裂变材料进行再循环。目前，英国也加入到了印度钍研究计划里来，利用英国工程与物理研究理事会和印度原子能部联合资助进行五个核能项目研究。
2.2.2加拿大钍燃料研究计划
加拿大原子能公司在20世纪50年代的CANDU堆开发计划中就已开始将钍作为一种有前景的核燃料，并一直将钍基燃料循环作为其CANDU6、先进CANDU6以及ACR-1000反应堆的候选方案。最具吸引力的CANDU堆钍基燃料循环将是闭式循环，其中包括乏燃料后处理以及对回收的铀-233和钍进行循环利用。近期，钍资源丰富的国家可在CANDU堆中使用“一次通过式”燃料循环，以便获得钍基燃料循环技术方面的经验，并在乏燃料中积累铀-233战略资源。在未来，CANDU堆与快堆的协同作用将使CANDU堆能够使用快堆产生的易裂变材料。
2.2.3挪威的钍基燃料战略研究
挪威研究委员会2008年向政府提交了一份题为《将钍作为能源资源——挪威的机遇》的研究报告。报告指出，由于目前已掌握的关于利用钍基燃料发电以及这种资源的地质分布的资料太少，因此还不能确定钍资源对挪威的潜在价值。报告明确指出，钍基核燃料费用在整个发电成本结构中所占的比重将比较小，与铀燃料费用相当甚至更低。开发钍基核能系统的主要经济挑战是相关研发工作能否获得充足的资金。建议，“应当认识到核能对可持续能源未来的潜在贡献;评估挪威岩石中的钍是否是可用于未来发电的经济资产;并鼓励在Halden研究堆中开展钍基燃料试验”。报告还建议，“应当加强国际合作，例如参加关于适合使用钍基燃料的第四代反应堆的研究工作，并积极参加欧盟对使用钍基燃料的加速器驱动系统(ADS)的研究工作”。还提议，“应该使钍基燃料方案保持开放，并将其作为对铀燃料方案的一个有益补充，以增强核能的可持续性。”
3钍基核燃料循环论文统计与主题挖掘分析
3.1数据来源及方法说明
本次分析采用的数据库为WebofScience(包括ScienceCitationIndexExpanded和ConferenceProceedingsCitationIndex数据库)，利用关键词结合领域分类的方式检索了所有在钍基核燃料循环研究方面发表的论文。数据检索时间为2010年11月22日，共检索到有效数据1422条，覆盖时间段为1956-2010年。
分析利用汤森路透公司开发的数据挖掘和可视化工具ThomsonDataAnalyzer(TDA)及社会网络分析软件UCINET等工具对数据进行了统计分析、主题因子分析、趋势分析和国家、机构合作分析等，并进行了可视化表达。
3.2钍基核燃料循环研究论文结构分析
3.2.1研究主题结构
主题因子分析2以标题切词得到的短语和作者关键词为研究主题，利用ThomsonDataAnalyzer工具，对1422篇钍基核燃料循环研究论文的研究主题进行了因子分析。具有重要影响而且研究主题高度相关联的标题短语和作者关键词生成了因子地图(如图1所示)。
标题反映了论文的主要内容和强调的观点，因此利用论文标题进行切词可以对研究内容的相关性加以分析。图1为钍基核燃料循环论文标题切词后得到短语的主题因子地图。以“precisevalidation”和“databasen”为核心短语，与“fusionreactionsU-233U-238”与“Pu-242”、“Cm-243”和“reactionratesensitivity”构成了一个共性主题，表明U-233和U-238的增殖反应和反应率的敏感性方面的研究之前都主要以大量数据的收集和实验的精确验证为主。短语“U-233-TH”与“MetallicCombinations”构成了一个共性主题，表明铀钍混合燃料循环的金属合成是一个关键的研究主题。以“long-livedfissionproducts”与“thermalneutronfissionedU-233”为核心短语，与“Th-232”、“I-134”、“Np-237”构成了一个共性主题，表明钍的增殖及钍燃料反应堆裂变产物中I-134和Np-237的分离是一个关键的研究主题。
3.2.2论文的国家分布
(1)第一作者
国家分析第一作者国家是指论文中第一作者所在的国家。论文作者的排名体现了每位作者对论文的贡献程度，因此分析论文第一作者所在国家，能够更深刻地反映各个国家在钍基核燃料循环研究方面的影响力和实力。
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表2根据第一作者列出了论文数量排名前10的国家，共发表钍基核燃料循环论文947篇，分别分布在58个国家(如表3所示)。论文数量排名前10位的国家分别是印度(173篇)、美国(107篇)、日本(90篇)、土耳其(72篇)、法国(71篇)、俄罗斯(53篇)、德国(49篇)、中国(30篇)、巴西(24篇)、意大利(23篇)。这10个国家在整体上大致可以划分为三个集团：第一集团为印度和美国;第二集团日本、土耳其、法国;包括中国在内的其他6
国为第三集团。从发文数量来看，印度遥遥领先于美国，印度在钍基核燃料循环方面的自主研究能力可见一斑。从论文总被引频次看，作为第一作者国家美国总被引频次845次、印度776次、法国678次，处于领先的第一集团地位，这反映了这三个国家对钍基核燃料循环研究的重视程度，以及这些国家在这个领域的研发能力。土耳其(504次)、日本(456次)、德国(335次)这三个国家仅次于法国，构成了论文总被引频次的第二集团，基本符合人们对这些国家钍基核燃料循环研究能力的认识。包括中国在内的其余4个国家处于论文总被引频次的第三集团，总被引频次都不超过300次。从篇均被引频次看，这10个国家分成两个集团。法国、美国、意大利、土耳其、德国的篇均被引频次均超过5，处于第一集团。中国与德国、俄罗斯、巴西、意大利处于第二集团。中国的篇均被引频次为3.7，只高于巴西，低于其他国家。
在H指数方面，法国(15)、印度(13)、美国(12)、土耳其(12)、日本(11)处于第一集团，这些国家代表了当前世界钍基核燃料循环研究影响力比较大的几个国家，也比较客观地反映了上述国家在钍基核燃料循环研究方面的重要性。中国的H指数为6，排在第8位，仅高于俄罗斯与巴西。
钍基核燃料循环作为未来核能发展很有潜力和竞争力的技术选项之一，很多国家都做了相关基础的研发工作，推动了相关研究和技术的发展。因此，除了分析第一作者发表论文排名前10的国家，对其他发表相关研究论文的国家也进行了分析，以了解钍基核燃料循环研究总体的分布态势。其中，只分析以第一作者发表论文2篇及以上的国家。
除表2中的10个国家外，共有33个国家产出了2篇以上的论文，表3对这些国家进行了归类，给出了相关信息。可以看出，欧洲对于钍基核燃料循环的研究活动相对活跃，21个国家都有相关研究成果发表，特别是比利时、瑞士、瑞典、白俄罗斯等国家;亚洲也有6个国家产出了2篇以上的成果，分别是韩国、巴基斯坦、以色列、伊朗、塞浦路斯和哈萨克斯坦;非洲的3个国家分别是埃及、摩洛哥和南非，其中埃及表现突出，发表论文数量仅次于前10国家;北美洲有2个国家，分别是加拿大和墨西哥;澳大利亚也以第一作者产出了5篇钍基核燃料循环的论文。
(2)国际合作情况
国家与国家之间的科技合作是由多方因素决定的。总体来说，一个国家的国际合作水平与该国科学技术的发展水平密切相关，同时也与该国的政治、经济和社会的发展水平有关。本报告主要通过国际合作的论文数量、合作国家数量、合作最多国家这三个指标考察各个国家的国际合作情况，如表4所示。
从国际合作论文数量指标来看，美国以53篇高居第一位，其次是法国的37篇和日本的27篇，反映了这三个国家在钍基核燃料循环研究领域的国际合作能力和影响力。
在论文数量前10国家中，美国的论文数和国际合作论文数量都是最多的，合作国家数也很多，共与27个国家合作了53篇论文，说明美国的国际合作研究非常活跃，其他各国都重视与美国的合作。在诸多合作国家中，美国与俄罗斯合作了19篇，是合作最多的国家，说明这两国在钍基核燃料循环研究方面合作关系非常紧密。美国、俄罗斯、法国、日本、德国合作发文量都比较多，国家间的合作比较紧密。印度发文量多但合作论文很少。中国等其余各国的合作发文量也较少。
由图2可以看到，美国、法国、德国、日本、俄罗斯是整个国际合作网络的中心，说明这些国家有较强的国际合作意愿，也从侧面反映了这些国家在这个研究领域的国际影响力。美国、日本、俄罗斯之间，法国和德国之间在钍基核燃料循环方面的合作最紧密，合作强度达到10及以上(在图中以绿色线标示)。新西兰、法国分别与美国、日本和俄罗斯合作密切，加拿大分别与美国、俄罗斯合作密切，俄罗斯和德国，法国、瑞士分别和意大利之间密切合作，合作强度达到7及以上(在图中以红色线标示)。比利时、波兰、澳大利亚、瑞士分别与法国合作较为紧密，瑞士、以色列、德国分别与美国进行合作，加拿大、瑞士、奥地利、白俄罗斯、西班牙分别与日本合作密切，合作强度在5以上。而希腊、葡萄牙、捷克共和国与多国进行了系列合作，美国、法国、德国、日本、比利时、意大利、西班牙、奥地利等国家也与更多的国家进行合作，合作强度在3及以上。另外，其他国家如，中国、芬兰、匈牙利、保加利亚、巴西、乌兹别克斯坦、斯洛文尼亚、土耳其、哥伦比亚、乌克兰等国家也与其他国家开展了积极的合作，但合作强度在3以下(无连线)。
3.2.3论文的第一作者机构分布
第一作者机构是指论文中第一作者所在的机构。论文作者的排名体现了每位作者对论文的贡献程度，因此分析论文第一作者所在机构，能够更深刻地反映各个机构在钍基核燃料循环研究方面的影响力和实力。
作为第一作者机构的论文数量能够更深刻反映一个机构的科研影响力。如表5所示，第一作者论文数量前5名的机构分别是印度巴巴原子能研究中心(93篇)、美国橡树岭国家实验室(23篇)、土耳其加齐大学(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名机构中只有除了印度巴巴原子能研究中心的论文数量遥遥领先外，包括第2~5名在内的其他机构的论文数量差距并不是很大。
从论文第一作者机构的总被引频次看，印度巴巴原子能研究中心以总被引397次排名第一，土耳其加齐大学(224次)、日本原子能研究院(184次)、土耳其埃尔吉耶斯大学(178次)分列2~4位。从表5看到，这20家机构可以划分为两个集团。其中，印度巴巴原子能研究中心(397次)、土耳其加齐大学(224次)、日本原子能研究院(184次)、土耳其埃尔吉耶斯大学(178次)、法国巴黎大学(157次)、德国卡尔斯鲁厄研究中心(157次)、美国阿贡国家实验室(135次)、瑞士保罗谢勒研究所(135次)等机构总被引频次均超过100次，属第一集团。其余各国属第二集团。
从篇均被引频次看，德国卡尔斯鲁厄研究中心以19.63名列第一，其后依次是土耳其埃尔吉耶斯大学(16.18)、瑞士保罗谢勒研究所(15)、法国巴黎大学(14.27)、土耳其加齐大学(11.2)、比利时的欧洲共同体委员会(10.63)、美国阿贡国家实验室(10.38)，其篇均被引频次均高于10。——论文作者：冷伏海1 刘小平1 李泽霞1* 黄龙光1 王林1 王海燕1 周丽英2
