经济日报记者 杜铭
核能中长期发展路线图
熔盐堆示意图
面对能源危机、雾霾围城,核能以绿色、高效、低碳排放和可规模生产的突出优势,成为较为理想的替代能源。但是,当前核能利用过程中也存在着诸多缺陷有待克服:如核安全问题始终像“达摩克利斯之剑”,让公众心存顾虑;核燃料供应、核废料处理及核武器扩散等问题,也一直困扰着核能的发展。
虽然日本福岛核电站核泄漏事故曾引起全世界对发展核能的担忧,但人类对替代能源的追寻永远不会止步。我国科学家已经启动研制具有自主知识产权的四代核能系统,试图破解当前和未来核能发展所面临的诸多难题,为我国的绿色发展提供不竭动力。
钍—— 铀的“超级替补”
在包钢的尾矿坝,7万吨钍被当作“下脚料”一样,堆放在1.5亿吨尾矿中。可能很少有人知道,钍这种几乎被人“遗忘”的重金属元素也能做核燃料。这是因为,钍本身并不会像铀235那样发生裂变,只有用中子轰击它,才能将其转换成铀233再使用,被称为钍—铀核燃料循环。
据介绍,目前全世界运行的核反应堆绝大多数是热堆,即由热中子引发裂变反应。热堆消耗的主要核燃料是铀235。自然界中铀235的蕴藏量仅占铀蕴藏总量的0.71%,其余绝大部分是铀238,占99.2%。中科院上海应用物理研究所研究员徐洪杰介绍说:“如果按照国际通用算法,未来30年核电规模为现在的7倍,那么铀235矿将在40年内用尽。”
和铀相比,钍的优势在于资源丰富。钍大量存在于地壳表层,目前地壳中钍的探明储量约为铀的3至4倍。在我国,钍铀储量之比约为6:1,已探明的钍工业储备量约为28万吨,仅次于印度,居世界第二位。据原包头市稀土研究院院长马鹏起测算,白云鄂博矿区的钍矿资源可支撑中国能源需求5000年。
钍替代铀,还具有很多优势。与铀在进入反应堆之前必须经过高浓缩不同,钍是直接可利用的核燃料。1吨钍裂变产生的能量抵得上200吨铀,相当于350万吨煤炭。诺贝尔物理学奖获得者、欧洲核子研究中心前主任卡洛·鲁比亚形容,一块拳头大小的钍金属,能为伦敦供电1星期。
钍作为核燃料,还可以避免核武器扩散的风险,更加和平地利用核能。传统铀反应堆产生的核废料中,有大量易于生产核武器的核燃料钚239,存在核扩散的风险。而科学界公认,钍—铀燃料循环不适于生产武器级核燃料,只能用于产生核能。
钍的诸多优势是取代铀做核燃料的重要原因,也是中科院最终选择将“钍基熔盐堆核能系统(TMSR)”作为首批战略性先导专项之一的理由。据介绍,“先导专项”定位于解决关系国家全局和长远发展的重大科技问题。其中,“未来先进核裂变能”专项致力于解决我国乃至世界核能快速发展均面临的“核燃料的稳定供给”和“核废料的安全处置”等严峻挑战。
四代堆化解“三大挑战”
“熔盐堆被认为是钍资源利用的理想堆型。”中科院金属研究所高级工程师董加胜介绍说,传统固态反应堆的缺点在于堆反应的复杂性。堆芯熔毁事故严重时,会导致核燃料坍缩到临界质量而导致泄漏,如乌克兰的切尔诺贝利和日本的福岛泄漏事故。如果核燃料是液态,所有问题都将迎刃而解,这也是熔盐堆出现的主要原因。
“熔盐堆使用熔融状态的氟化盐携带着核燃料——有点类似地壳里的岩浆,在‘炉子’中燃烧,不断输出巨大的能量。”徐洪杰说,作为国际第四代反应堆核能系统研究的6种候选堆型中唯一的液态燃料堆,它具有结构简单、可以在常压下运行、燃料“杂食性”强等优点。“新炉子”可以做得非常小巧,封入一定的核燃料就能稳定运行数十年,而经过充分燃烧,理论上其产生的核废料将仅为现有技术的千分之一。
熔盐堆还具有诸多安全特性。当熔盐堆内熔盐温度超过预定值时,设在底部的冷冻塞将自动熔化,携带核燃料的熔盐随即全部流入应急储存罐,使核反应终止。此外,熔盐堆工作在常压下,操作简单安全。熔盐堆还可建在地面10米以下,有利于防御恐怖破坏和战争袭击。由于冷却剂是氟化盐(同时携带燃料),冷却后就变成了固态盐,这使得核燃料既不容易泄露,也不会与地下水发生作用而造成生态灾害。
“核燃料长期稳定供应、核废物最小化处置、防止核武器扩散,是核能发展面临的‘三大挑战’。”这也是我国第四代核能系统的预定目标。相比目前的主流核电技术——第三代反应堆,四代堆包括了核燃料加工技术、反应堆技术和核废料处理技术,所以称为核能系统。
“未来先进核能”先导专项还包括加速器驱动次临界系统(ADS),它是国际公认的最有前景的处置核废料的嬗变技术之一,是未来彻底解决核废料对生物圈危害的重要技术。中科院金属研究所研究员杨柯说,相对国际上现有两种处理核废料的方式,即一次通过和闭式循环,加速器驱动次临界系统(ADS)可在闭式循环的基础上进一步利用核嬗变反应,将长寿命、高放射性核素转化为中短寿命、低放射性的核素。
三步走绘制“路线图”
“熔盐堆材料大多需在高温、极强腐蚀和中子辐照等多重极端环境下工作,核岛内聚合物也需在辐照的条件下工作,这对材料本身提出了极其严格的要求。”董加胜说,对燃料盐的包容是研究的难点之一,即使国外商用HastelloyN合金,也依然存在长期服役后辐照开裂等诸多问题。
围绕“未来先进核裂变能”先导专项,中科院开展了联合攻关。包括上海应用物理研究所、兰州近代物理研究所在内的数家科研单位,分别承担了不同的研究课题,金属所承担的两项课题,一是熔盐堆结构金属材料,二是用于ADS嬗变系统的新型耐高温、抗辐照、抗液态金属腐蚀材料。
金属所副所长张健介绍说,金属所已经研制出具有自主知识产权的GH3535合金,其耐熔盐腐蚀、抗氧化,以及物理、力学等各项性能,均达到或超过了国外同类合金水平,在纯净度方面具有明显优势。
由于全球新一代核反应堆尚处于研发中,因此,我国通过自主研发、自行设计制造四代堆,能够掌握全部知识产权,保证我国未来的国家能源安全。
“目前,先进核能专项已完成ADS系统研究装置和2兆瓦固态燃料钍基熔盐堆的概念设计。”中科院日前向记者通报了先导专项的研究进展。但这仅仅只是一个开始,距离“更安全、更清洁、最终也更便宜”的钍反应堆为人类服务还有很长的路要走。从过去的情况看,每一代反应堆从实验室攻关到进入中试阶段,再到核电站的商业运作阶段,会经历二三十年的漫长过程。
根据中科院制定的“核能中长期发展路线图”,在钍基核能系统方面,我国计划分3步走:到2015年,集中力量加强钍铀循环和熔盐反应堆技术的基础研究和技术攻关;在此后的2020年和2030年前后,力争完成10兆瓦的钍基熔盐原型堆和100兆瓦的示范堆;最终进入商业化用途阶段,预计在2040年前后。
从“核能中长期发展路线图”可见,现在还处于“发现问题”的前期阶段。
