中國的放射化學(xué)教育與核工業(yè)發(fā)展——以北京大學(xué)為例

劉春立

北京大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京分子科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室，放射化學(xué)與輻射化學(xué)重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，北京 100871

1955年5月15日，黨中央和毛主席根據(jù)當(dāng)時(shí)的國際形勢和國防需要，做出了創(chuàng)建我國原子能事業(yè)和研發(fā)核武器的英明決策。1955年8月1日，高等教育部根據(jù)中央的部署和錢三強(qiáng)先生的建議，在北京大學(xué)成立物理研究室，設(shè)立原子能物理和放射化學(xué)兩個(gè)專業(yè)，調(diào)胡濟(jì)民和虞福春任正、副主任，并從北京大學(xué)、浙江大學(xué)、吉林大學(xué)等高校調(diào)優(yōu)秀青年教師、大學(xué)三年級優(yōu)秀學(xué)生和熟練技術(shù)工人到北京大學(xué)參與物理研究室的建設(shè)。至1957年8月，北京大學(xué)完成了兩個(gè)專業(yè)的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備工作，培養(yǎng)了兩屆核物理專業(yè)和一屆放射化學(xué)專業(yè)共352名畢業(yè)生，為我國原子能事業(yè)的發(fā)展輸送了第一批急需的核專業(yè)人才［1］，開創(chuàng)了中國放射化學(xué)高等教育之先河。

自1956年至2015年，北京大學(xué)共培養(yǎng)放射化學(xué)專業(yè)畢業(yè)生2 795人。這些畢業(yè)生為我國核工業(yè)的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。圖1為北京大學(xué)培養(yǎng)的放射化學(xué)畢業(yè)生數(shù)量變化情況。值得注意的是，自1982年起，北京大學(xué)將放射化學(xué)專業(yè)更改為應(yīng)用化學(xué)專業(yè)。盡管在之后的一段時(shí)間內(nèi)，放射化學(xué)專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃并沒有做大的調(diào)整。2011年，北京大學(xué)的應(yīng)用化學(xué)專業(yè)并入化學(xué)與分子工程學(xué)院，原來保留下來的放射化學(xué)課程逐漸從專業(yè)必修課演變?yōu)檫x修課，直至2015年。

我國是世界上為數(shù)不多的具有完整核工業(yè)體系的國家之一。1950年5月19日，中國科學(xué)院近代物理研究所的成立，標(biāo)志著我國有了自己的核工業(yè)科研體系。1956年11月16日，中華人民共和國第三機(jī)械工業(yè)部的設(shè)立，標(biāo)志著我國正式步入核工業(yè)建設(shè)階段。經(jīng)過1964年10月16日第一顆原子彈爆炸試驗(yàn)成功，1967年6月17日第一顆氫彈爆炸試驗(yàn)成功，我國成為擁有核武器的聯(lián)合國安理會5個(gè)常任理事國之一。

圖2為中國核工業(yè)里程碑事件年鑒。從這些時(shí)間節(jié)點(diǎn)不難看出，在1956至1960年間培養(yǎng)的大批放射化學(xué)本科生與1964年和1967年我國原子彈和氫彈的研制成功之間有著密不可分的聯(lián)系。由圖1的數(shù)據(jù)可知，1982年北京大學(xué)的放射化學(xué)專業(yè)更名為應(yīng)用化學(xué)專業(yè)后，1983至1987年5年的招生人數(shù)達(dá)到329人，出現(xiàn)一個(gè)小高峰，1988年之后15年間的招生人數(shù)是最少的，2006年至2010年又出現(xiàn)一個(gè)265人的小高峰。這一變化趨勢與1988年9月16日中國核工業(yè)總公司的成立、中國的核工業(yè)向發(fā)展核能方向推進(jìn)高度一致。由此可以看出，中國的放射化學(xué)高等教育與國家核事業(yè)發(fā)展的里程碑事件密切相關(guān)。核事業(yè)興旺發(fā)展階段也是放射化學(xué)高等教育的蓬勃發(fā)展時(shí)期。

1987年8月7日，采用法國技術(shù)建造的兩臺單機(jī)容量為98．4萬千瓦壓水堆核電機(jī)組在大亞灣正式開工，標(biāo)志著核電正式成為我國能源的組成部分。經(jīng)過近30年的發(fā)展，至2014年，我國已有27個(gè)核電機(jī)組在運(yùn)行之中，另有24個(gè)核電機(jī)組在建設(shè)之中，核電總量約為13×104GW·h，約占我國總電力的2．4%。根據(jù)發(fā)展態(tài)勢估計(jì)，到21世紀(jì)中葉，我國的核電裝機(jī)容量可能達(dá)到5×105～7×105GW·h，這一規(guī)模與2014年美國的核電裝機(jī)容量相當(dāng)（8×105GW·h［2］）。因此，可以毫不夸張地講，到21世紀(jì)中葉，中國將成為世界上為數(shù)不多的核電大國。

圖1 1956年至2014年北京大學(xué)放射化學(xué)本科畢業(yè)生人數(shù)變化Fig．1 Changes of the undergraduate students majored in radiochemistry at Peking University from 1956to 2014

核電發(fā)展面臨三大挑戰(zhàn)：核材料穩(wěn)定供給、反應(yīng)堆安全運(yùn)行和核事故下的環(huán)境安全。因此，就整個(gè)核燃料循環(huán)體系而言，核燃料循環(huán)的前段（從礦冶到鈾濃縮）和后段（從后處理到廢物處置）都包含大量的放射化學(xué)工作。而且，核燃料循環(huán)各環(huán)節(jié)的工藝改善和技術(shù)提升均需要對放射性核素的物化性質(zhì)作深入了解。尤其重要的是，這些過程均存在將放射性物質(zhì)釋放到環(huán)境中去的風(fēng)險(xiǎn)。1986年發(fā)生的前蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故以及2011年發(fā)生在日本福島的核事故［3］提醒我們，在核電的發(fā)展過程中，核事故的發(fā)生是個(gè)必然事件，但其發(fā)生的概率、時(shí)間、地點(diǎn)和規(guī)模我們尚無法確定。我們能夠做的是通過人員的培訓(xùn)和技術(shù)的提升減小事故發(fā)生的概率，但事故的發(fā)生是很難或者說是不可避免的。這就要求我們在核電的發(fā)展過程中，不僅要重視反應(yīng)堆運(yùn)行安全，更為重要的是要為應(yīng)對核事故的發(fā)生做好充分準(zhǔn)備。這種準(zhǔn)備包括人員儲備和技術(shù)準(zhǔn)備。日本福島核事故后日本科研人員開展的大量的環(huán)境放射化學(xué)工作告訴我們，中國環(huán)境放射化學(xué)的技術(shù)儲備遠(yuǎn)沒有達(dá)到應(yīng)對核事故要求的程度［4］。

核事故發(fā)生后，人們最關(guān)心的是釋放到環(huán)境中的放射性核素在環(huán)境中的行為，包括吸附、擴(kuò)散、遷移、轉(zhuǎn)化、富集、載帶等［5］。放射性核素在環(huán)境介質(zhì)中的物化行為將最終決定他們對關(guān)心人群健康的影響。要準(zhǔn)確評估這種影響，就要求我們對核電廠周圍環(huán)境的放射性本底作全面的調(diào)查和分析，包括開展重要放射性核素在特定土壤和植物樣品中的吸附和富集規(guī)律研究。開展這類工作，需要數(shù)量可觀的受過放射化學(xué)訓(xùn)練的專業(yè)人員。

核電發(fā)展的另外一個(gè)必須解決的問題是放射性廢物的處理和安全處置。按照我國核電發(fā)展規(guī)劃估計(jì)，到21世紀(jì)中葉，我國核電站產(chǎn)生的乏燃料可能在5萬至7萬噸。這些乏燃料經(jīng)后處理后，將產(chǎn)生數(shù)量可觀的高水平放射性廢物（高放廢物）。經(jīng)過50多年的研究和討論，普遍認(rèn)為高放廢物安全有效的處置方式是深地質(zhì)處置，即把高放廢物及其包裝容器埋置在地表以下500～1 000m的穩(wěn)定地質(zhì)體中，這樣的設(shè)施稱作高放廢物地質(zhì)處置庫。由于在高放廢物地質(zhì)處置庫中埋置的高放廢物中含有多種核素，其中包括一些壽命特長的裂片核素如79Se、129I以及超鈾核素，如241Am等。因此，對高放廢物地質(zhì)處置庫的安全評價(jià)是一件涉及物理、化學(xué)、水文、地質(zhì)、環(huán)境、社會、經(jīng)濟(jì)等多領(lǐng)域的高度交叉的一項(xiàng)工作。其中最為重要的是獲取一些關(guān)鍵放射性核素，諸如99Tc、129I、79Se、36Cl、237Np、238Pu、241Am等在處置庫圍巖（多為花崗巖、粘土巖）和緩沖回填材料（多為膨潤土）與地下水組成的水巖體系中發(fā)生的吸附、擴(kuò)散等參數(shù)。開展這類工作者不僅要求具備物理化學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)知識，更重要的是要熟悉放射化學(xué)的基本知識與技能。這是一項(xiàng)長期的工作，通常需要20～30a的時(shí)間。

圖2 中國核工業(yè)里程碑事件年鑒Fig．2 Milestone events for China’s nuclear industry

此外，我國的核工業(yè)已經(jīng)走過60年的發(fā)展歷程，不少早期的核設(shè)施面臨退役治理或更新?lián)Q代的迫切要求。在核設(shè)施的退役治理過程中，有關(guān)核設(shè)施遺留和釋放到周圍環(huán)境中的放射性核素在相應(yīng)條件下的吸附、擴(kuò)散和遷移參數(shù)與模型是評估退役治理措施成功與否的核心數(shù)據(jù)。開展這類工作同樣需要熟悉放射化學(xué)基本知識和技能的專業(yè)人員。在未來20至30年內(nèi)，我國核工業(yè)的發(fā)展在上述三個(gè)研究領(lǐng)域每年至少需要10～20名受過放射化學(xué)系統(tǒng)訓(xùn)練的畢業(yè)生。按照傳統(tǒng)的畢業(yè)生去向估計(jì)，我國在未來20至30年內(nèi)，每年至少應(yīng)培養(yǎng)60～90名放射化學(xué)本科畢業(yè)生。這類專業(yè)人才并非僅僅是學(xué)過或選修過放射化學(xué)課程的本科生，而是受到放射化學(xué)專業(yè)系統(tǒng)訓(xùn)練的本科生。目前，在我國比較好的綜合性大學(xué)中，只有蘭州大學(xué)每年培養(yǎng)30名左右放射化學(xué)專業(yè)本科生。這一現(xiàn)狀需要受到重視。

北京大學(xué)在我國核工業(yè)發(fā)展的早期培養(yǎng)了大批高素質(zhì)的放射化學(xué)專業(yè)本科生。在過去的60年內(nèi)，這些人員在我國核工業(yè)的各行各業(yè)發(fā)揮了不可替代的重要作用。在未來30至50年的時(shí)間內(nèi)，我國核事業(yè)的新發(fā)展仍然需要這類高素質(zhì)的放射化學(xué)人才。因此，諸如北京大學(xué)一類具有示范作用的高等學(xué)府，應(yīng)重新?lián)?dāng)起為國家培養(yǎng)高素質(zhì)放射化學(xué)人才的重任，以利于我國核能事業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展。

［1］沈興海，哈鴻飛，高宏成，編．北京大學(xué)放射化學(xué)-應(yīng)用化學(xué)50年（1955—2005）：回顧與展望［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006．

［2］Yoshida N，Kanda J．Tracking the Fukushima radionuclides［J］．Science，2012，336：1115-1116．

［3］IAEA．IAEA Power Reactor Information System［EB／OL］．［2015-5-31］．https：∥www．iaea．org／PRIS／home．a(chǎn)spx．

［4］劉春立．我國環(huán)境放射化學(xué)面臨的問題與挑戰(zhàn)［C］∥第三次全國環(huán)境放射化學(xué)戰(zhàn)略研討會論文摘要集．嘉峪關(guān)：中國核學(xué)會核化學(xué)與放射化學(xué)分會，2014．

［5］劉春立．環(huán)境放射化學(xué)［J］．核化學(xué)與放射化學(xué)，2009，31（S0）：45-49．