60年前,美國(guó)的先進(jìn)技術(shù)曾經(jīng)創(chuàng)下了世界首例!如今再度重啟,進(jìn)度卻落在了我國(guó)后面。
這項(xiàng)技術(shù),名叫釷基熔鹽堆,是第四代核電站的重點(diǎn)項(xiàng)目之一。正如比爾·蓋茨所說(shuō)的那樣,中國(guó)的核電站技術(shù),正在挑戰(zhàn)美國(guó)等國(guó)家的領(lǐng)先地位。
釷基熔鹽堆,到底是什么?它到底有多牛?
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釷基熔鹽堆
所謂的堆,指的就是核反應(yīng)堆,也就是整個(gè)核電站的“心臟”。核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的,簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),它包含了核燃料、慢化劑、冷卻劑、控制系統(tǒng)、反應(yīng)堆容器、屏蔽層等。這里會(huì)進(jìn)行核裂變反應(yīng),產(chǎn)生能量。同時(shí)又要通過(guò)各種各樣的裝置來(lái)控制反應(yīng)速度,保證核反應(yīng)的平穩(wěn)進(jìn)行,不至于超出承受極限。
目前來(lái)說(shuō),世界上已經(jīng)研發(fā)成功的核反應(yīng)堆有很多種,主要包含壓水堆、沸水堆、重水堆、氣冷堆、快中子堆等,而熔鹽堆,就是一種新型的核反應(yīng)堆。
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說(shuō)它新型,其實(shí)是我們最近剛剛讓它從理論走進(jìn)了現(xiàn)實(shí)。如果說(shuō)起它最早的研究,其實(shí)可以追溯到差不多八十年前!
1940年代末,美國(guó)橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室為“核動(dòng)力飛機(jī)”計(jì)劃開(kāi)發(fā)了熔鹽堆原型——ARE(飛行器反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn))。雖然它使用的是鈾燃料,但奠定了熔鹽技術(shù)的基礎(chǔ)。1965年,美國(guó)建成了世界上第一座以釷為燃料循環(huán)的實(shí)驗(yàn)堆——MSRE,這才是真正意義上的“釷基熔鹽堆”。
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但美國(guó)的研究并沒(méi)有持續(xù)下去。有專(zhuān)家推測(cè),大概是冷戰(zhàn)時(shí)期經(jīng)濟(jì)過(guò)于緊張,這種研究又不能直接用來(lái)轟炸蘇聯(lián),美國(guó)就放棄了這方面的研究。
而在遙遠(yuǎn)的東方,我國(guó)從1970年開(kāi)始啟動(dòng)釷基熔鹽堆的研究,算下來(lái)也有55年的時(shí)間了。由于該項(xiàng)目是當(dāng)年2月8日啟動(dòng)的,所以又被稱(chēng)為“728工程”。
不過(guò),這項(xiàng)工程確實(shí)非常難,對(duì)當(dāng)時(shí)的我國(guó)來(lái)說(shuō)也確實(shí)力不從心。但728工程也沒(méi)有浪費(fèi),它促成了我國(guó)的第一座核電站——秦山一期30萬(wàn)千瓦壓水堆。
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進(jìn)入21世紀(jì)后,相關(guān)研究再一次被提及,美國(guó)能源部牽頭發(fā)起了第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇。當(dāng)時(shí)論壇上一共提出了六個(gè)候選堆型,熔鹽堆就是其中之一。
從此以后,不只是美國(guó),法國(guó)、俄羅斯、日本、韓國(guó)等國(guó)家紛紛展開(kāi)了對(duì)熔鹽堆的研究。而以釷元素為反應(yīng)原料的熔鹽堆最受青睞,這就是所謂的釷基熔鹽堆了。
2011年,中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)了“未來(lái)先進(jìn)核裂變能—釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)(TMSR)”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)。甘肅武威成為我國(guó)釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)的試驗(yàn)與示范應(yīng)用基地。
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我們都知道,目前的核裂變反應(yīng),使用的原料普遍是放射性元素鈾-235。可是,釷在自然界占據(jù)絕大多數(shù)的同位素釷-232,放射性極弱,那它是怎么參與核反應(yīng)的呢?
在這種反應(yīng)堆里,科學(xué)家會(huì)首先利用中子進(jìn)行轟擊,使得釷-232轉(zhuǎn)化為釷-233,后者就是放射性元素了,而且半衰期非常短,僅有21.83分鐘。很快,它就會(huì)通過(guò)β衰變變成鏷-233,后者再衰變?yōu)殁?233。這個(gè)鈾-233,就可以作為核燃料使用了。
釷基熔鹽堆的優(yōu)勢(shì)
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為什么我們放著已經(jīng)成熟的鈾不用,反而要繞遠(yuǎn)路,拿釷來(lái)制鈾呢?
- 資源含量不同
鈾是一種比較稀有的放射性金屬元素,在地殼中的平均含量只有百萬(wàn)分之二左右。盡管我國(guó)的鈾儲(chǔ)量在世界范圍內(nèi)也不算低,但普遍品位低,埋藏深,開(kāi)采的成本和難度都比較高。
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當(dāng)年造原子彈的時(shí)候,我國(guó)就被鈾卡了很久。直到今天,我們的核電站使用的鈾礦,有2/3都依賴(lài)進(jìn)口。
現(xiàn)在,大家一看到“依賴(lài)”“進(jìn)口”這種詞,一下子就會(huì)想到三個(gè)字——卡脖子。一旦未來(lái)某些國(guó)家要跟我們拼命,切斷了對(duì)我國(guó)鈾的輸入,我們的發(fā)展將會(huì)面臨巨大的危機(jī)。
玩過(guò)游戲紅警的人都知道,電廠不能有效運(yùn)轉(zhuǎn),對(duì)一個(gè)國(guó)家來(lái)說(shuō)面臨的是什么。
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但釷不同。目前我國(guó)已探明的釷資源儲(chǔ)量有差不多30萬(wàn)噸,僅次于印度,位居世界第二。而且,我國(guó)的釷分布比較廣泛,有超過(guò)20個(gè)省市區(qū)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了釷礦資源。
更重要的是,釷的開(kāi)采難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鈾,它甚至只是開(kāi)采稀土?xí)r的伴生副產(chǎn)品。也就是說(shuō),即使不特意開(kāi)采釷資源,我們也可以通過(guò)開(kāi)采稀土?xí)r的副產(chǎn)品加以“廢物利用”,就能得到釷資源,成本大大降低。
- 安全
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核反應(yīng)堆最首要的問(wèn)題,就是安全。有沒(méi)有電放在一邊,最起碼咱們得安全才行。核電站有多危險(xiǎn),切爾諾貝利和福島都已經(jīng)給出了血淋淋的教訓(xùn)。
而釷基熔鹽堆的好處,就是其中的熔鹽既可以做燃料,又可以充當(dāng)冷卻劑。它不再像傳統(tǒng)核電站一樣使用固體棒,而是反應(yīng)原料在熔鹽中流動(dòng)。這些熔鹽是極難汽化的,所以不需要高壓環(huán)境,這就避免了相關(guān)操作失誤可能帶來(lái)的悲劇。
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不僅如此,當(dāng)反應(yīng)堆的溫度過(guò)高的時(shí)候,傳統(tǒng)的核電站可能就會(huì)面臨反應(yīng)速度過(guò)快導(dǎo)致的核事故,而熔鹽堆恰恰相反,其物理性質(zhì)的改變會(huì)抑制反應(yīng)的進(jìn)行。也就是說(shuō),如果真的特別熱了,它反而就會(huì)停止反應(yīng)了,不容易引發(fā)核事故。
科學(xué)家的研究早就指出,釷這種元素,是不適合用來(lái)做核武器的。這說(shuō)明什么?說(shuō)明它安全啊,拿來(lái)發(fā)電正合適啊!
- 選址自由
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另外,傳統(tǒng)的核電站,都需要巨量的水來(lái)降溫。一座百萬(wàn)千瓦級(jí)的常規(guī)核電機(jī)組,每小時(shí)就需要幾千噸冷卻水!一旦斷水,堆芯就有可能過(guò)熱,導(dǎo)致熔毀,釀成災(zāi)難。
那么,哪里可以源源不斷地提供水呢?
顯然,最合適的地方,就是海邊。退而求其次,大河、湖泊的旁邊也可以。目前世界上的核電站,普遍都是這樣選址的。
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而釷基熔鹽堆里使用的高溫熔鹽,被稱(chēng)為完美的“熱量搬運(yùn)工”,靠自食其力就能在循環(huán)過(guò)程中帶走多余的熱量,不需要那么多水來(lái)冷卻。
正因?yàn)閿[脫了對(duì)水的依賴(lài),釷基熔鹽堆可以不再建設(shè)在水邊,以防像福島核電站那樣面臨臺(tái)風(fēng)釀成核事故的風(fēng)險(xiǎn)。比如我國(guó)這座熔鹽,直接就建在了戈壁灘!未來(lái),隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,釷基熔鹽堆甚至可以建設(shè)在地下,進(jìn)一步避免自然災(zāi)害或者恐怖襲擊導(dǎo)致的核事故。
- 核廢料少
不僅如此,釷基熔鹽堆還能有效解決一個(gè)重大難題——核廢料的處置。
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通過(guò)對(duì)核燃料和反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行在線(xiàn)添加和在線(xiàn)分離處理,釷基熔鹽堆的核燃料燃燒非常充分,從而大幅減少核廢料的產(chǎn)生。研究表明,和鈾-235的反應(yīng)堆相比,釷基熔鹽堆的核廢料只有其1/10(有研究甚至說(shuō)是1/1000)左右!
總結(jié)
說(shuō)了這么多,這種釷基熔鹽堆到底有多牛,相信大家就明白了。在可控核聚變走進(jìn)現(xiàn)實(shí)之前,這種第四代核反應(yīng)堆相比于傳統(tǒng)反應(yīng)堆,也算是一種蛻變了。
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盡管美國(guó)六十年前曾經(jīng)研究過(guò),但再次重啟時(shí),直到今天尚無(wú)官方通報(bào)的任何實(shí)質(zhì)性突破,進(jìn)度和我國(guó)相比已經(jīng)不占優(yōu)勢(shì)了,恰如當(dāng)年的載人登月一樣。
今天的美國(guó),看樣子已經(jīng)不復(fù)當(dāng)年之勇了。
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