經濟日報記者 杜銘

核能中長期發展路線圖

熔鹽堆示意圖

面對能源危機、霧霾圍城,核能以綠色、高效、低碳排放和可規模生產的突出優勢,成為較為理想的替代能源。但是,當前核能利用過程中也存在著諸多缺陷有待克服:如核安全問題始終像“達摩克利斯之劍”,讓公眾心存顧慮;核燃料供應、核廢料處理及核武器擴散等問題,也一直困擾著核能的發展。

雖然日本福島核電站核泄漏事故曾引起全世界對發展核能的擔憂,但人類對替代能源的追尋永遠不會止步。我國科學家已經啟動研制具有自主知識產權的四代核能系統,試圖破解當前和未來核能發展所面臨的諸多難題,為我國的綠色發展提供不竭動力。

釷—— 鈾的“超級替補”

在包鋼的尾礦壩,7萬噸釷被當作“下腳料”一樣,堆放在1.5億噸尾礦中。可能很少有人知道,釷這種幾乎被人“遺忘”的重金屬元素也能做核燃料。這是因為,釷本身并不會像鈾235那樣發生裂變,只有用中子轟擊它,才能將其轉換成鈾233再使用,被稱為釷—鈾核燃料循環。

據介紹,目前全世界運行的核反應堆絕大多數是熱堆,即由熱中子引發裂變反應。熱堆消耗的主要核燃料是鈾235。自然界中鈾235的蘊藏量僅占鈾蘊藏總量的0.71%,其余絕大部分是鈾238,占99.2%。中科院上海應用物理研究所研究員徐洪杰介紹說:“如果按照國際通用算法,未來30年核電規模為現在的7倍,那么鈾235礦將在40年內用盡。”

和鈾相比,釷的優勢在于資源豐富。釷大量存在于地殼表層,目前地殼中釷的探明儲量約為鈾的3至4倍。在我國,釷鈾儲量之比約為6:1,已探明的釷工業儲備量約為28萬噸,僅次于印度,居世界第二位。據原包頭市稀土研究院院長馬鵬起測算,白云鄂博礦區的釷礦資源可支撐中國能源需求5000年。

釷替代鈾,還具有很多優勢。與鈾在進入反應堆之前必須經過高濃縮不同,釷是直接可利用的核燃料。1噸釷裂變產生的能量抵得上200噸鈾,相當于350萬噸煤炭。諾貝爾物理學獎獲得者、歐洲核子研究中心前主任卡洛·魯比亞形容,一塊拳頭大小的釷金屬,能為倫敦供電1星期。

釷作為核燃料,還可以避免核武器擴散的風險,更加和平地利用核能。傳統鈾反應堆產生的核廢料中,有大量易于生產核武器的核燃料钚239,存在核擴散的風險。而科學界公認,釷—鈾燃料循環不適于生產武器級核燃料,只能用于產生核能。

釷的諸多優勢是取代鈾做核燃料的重要原因,也是中科院最終選擇將“釷基熔鹽堆核能系統(TMSR)”作為首批戰略性先導專項之一的理由。據介紹,“先導專項”定位于解決關系國家全局和長遠發展的重大科技問題。其中,“未來先進核裂變能”專項致力于解決我國乃至世界核能快速發展均面臨的“核燃料的穩定供給”和“核廢料的安全處置”等嚴峻挑戰。

四代堆化解“三大挑戰”

“熔鹽堆被認為是釷資源利用的理想堆型。”中科院金屬研究所高級工程師董加勝介紹說,傳統固態反應堆的缺點在于堆反應的復雜性。堆芯熔毀事故嚴重時,會導致核燃料坍縮到臨界質量而導致泄漏,如烏克蘭的切爾諾貝利和日本的福島泄漏事故。如果核燃料是液態,所有問題都將迎刃而解,這也是熔鹽堆出現的主要原因。

“熔鹽堆使用熔融狀態的氟化鹽攜帶著核燃料——有點類似地殼里的巖漿,在‘爐子’中燃燒,不斷輸出巨大的能量。”徐洪杰說,作為國際第四代反應堆核能系統研究的6種候選堆型中唯一的液態燃料堆,它具有結構簡單、可以在常壓下運行、燃料“雜食性”強等優點。“新爐子”可以做得非常小巧,封入一定的核燃料就能穩定運行數十年,而經過充分燃燒,理論上其產生的核廢料將僅為現有技術的千分之一。

熔鹽堆還具有諸多安全特性。當熔鹽堆內熔鹽溫度超過預定值時,設在底部的冷凍塞將自動熔化,攜帶核燃料的熔鹽隨即全部流入應急儲存罐,使核反應終止。此外,熔鹽堆工作在常壓下,操作簡單安全。熔鹽堆還可建在地面10米以下,有利于防御恐怖破壞和戰爭襲擊。由于冷卻劑是氟化鹽(同時攜帶燃料),冷卻后就變成了固態鹽,這使得核燃料既不容易泄露,也不會與地下水發生作用而造成生態災害。

“核燃料長期穩定供應、核廢物最小化處置、防止核武器擴散,是核能發展面臨的‘三大挑戰’。”這也是我國第四代核能系統的預定目標。相比目前的主流核電技術——第三代反應堆,四代堆包括了核燃料加工技術、反應堆技術和核廢料處理技術,所以稱為核能系統。

“未來先進核能”先導專項還包括加速器驅動次臨界系統(ADS),它是國際公認的最有前景的處置核廢料的嬗變技術之一,是未來徹底解決核廢料對生物圈危害的重要技術。中科院金屬研究所研究員楊柯說,相對國際上現有兩種處理核廢料的方式,即一次通過和閉式循環,加速器驅動次臨界系統(ADS)可在閉式循環的基礎上進一步利用核嬗變反應,將長壽命、高放射性核素轉化為中短壽命、低放射性的核素。

三步走繪制“路線圖”

“熔鹽堆材料大多需在高溫、極強腐蝕和中子輻照等多重極端環境下工作,核島內聚合物也需在輻照的條件下工作,這對材料本身提出了極其嚴格的要求。”董加勝說,對燃料鹽的包容是研究的難點之一,即使國外商用HastelloyN合金,也依然存在長期服役后輻照開裂等諸多問題。

圍繞“未來先進核裂變能”先導專項,中科院開展了聯合攻關。包括上海應用物理研究所、蘭州近代物理研究所在內的數家科研單位,分別承擔了不同的研究課題,金屬所承擔的兩項課題,一是熔鹽堆結構金屬材料,二是用于ADS嬗變系統的新型耐高溫、抗輻照、抗液態金屬腐蝕材料。

金屬所副所長張健介紹說,金屬所已經研制出具有自主知識產權的GH3535合金,其耐熔鹽腐蝕、抗氧化,以及物理、力學等各項性能,均達到或超過了國外同類合金水平,在純凈度方面具有明顯優勢。

由于全球新一代核反應堆尚處于研發中,因此,我國通過自主研發、自行設計制造四代堆,能夠掌握全部知識產權,保證我國未來的國家能源安全。

“目前,先進核能專項已完成ADS系統研究裝置和2兆瓦固態燃料釷基熔鹽堆的概念設計。”中科院日前向記者通報了先導專項的研究進展。但這僅僅只是一個開始,距離“更安全、更清潔、最終也更便宜”的釷反應堆為人類服務還有很長的路要走。從過去的情況看,每一代反應堆從實驗室攻關到進入中試階段,再到核電站的商業運作階段,會經歷二三十年的漫長過程。

根據中科院制定的“核能中長期發展路線圖”,在釷基核能系統方面,我國計劃分3步走:到2015年,集中力量加強釷鈾循環和熔鹽反應堆技術的基礎研究和技術攻關;在此后的2020年和2030年前后,力爭完成10兆瓦的釷基熔鹽原型堆和100兆瓦的示范堆;最終進入商業化用途階段,預計在2040年前后。

從“核能中長期發展路線圖”可見,現在還處于“發現問題”的前期階段。