綠色核能未來之路

方錦清

從美國三里島到蘇聯(lián)切爾諾貝利，再到日本福島，幾起大的核泄漏事故發(fā)生后，許多人對核電站的安全性非常擔(dān)憂，可是面臨能源短缺的問題又不得不發(fā)展核電。以德國為例，由于今年年初遭到罕見寒流襲擊，該國被迫重啟部分已經(jīng)關(guān)閉的核反應(yīng)堆，這令其2022年前逐步廢除核能發(fā)電的計劃面臨考驗(yàn)。那么，未來有沒有潔凈而安全的核能可供選擇呢？當(dāng)然有。俗稱“人造太陽”的可控?zé)岷司圩兙蛯⑹侨祟惸茉吹南Ｍ嚯x實(shí)際應(yīng)用還為時尚早。因此，核裂變能仍將是21世紀(jì)的主要能源。

瞄準(zhǔn)未來20~30年的戰(zhàn)略需求，中國科學(xué)院不久前提出4個A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項，其中之一就是“未來先進(jìn)核裂變能”，具體包括兩個系統(tǒng)：一是釷基熔鹽（TMSR）核能系統(tǒng)，另一是加速器驅(qū)動的次臨界堆（ADS）嬗變系統(tǒng)（或稱“強(qiáng)流加速器驅(qū)動的放射性潔凈核能系統(tǒng)”）。這在國際上也是處于關(guān)鍵技術(shù)研究階段的前沿?zé)狳c(diǎn)，為解決世界核能快速發(fā)展所面臨的“核燃料的穩(wěn)定供給”和“核廢料的安全處置”等挑戰(zhàn)帶來曙光和希望。

“釷堆”：或?qū)⒏淖兪澜缒茉窗鎴D

目前全世界運(yùn)行的反應(yīng)堆絕大多數(shù)是熱堆，即由熱中子引發(fā)裂變反應(yīng)。熱堆消耗的主要核燃料是鈾-235。自然界中鈾-235的蘊(yùn)藏量僅占0.71%，其余絕大部分是鈾-238，占99.2%。按照目前估計的裂變核能發(fā)展趨勢，地球上的陸基鈾-235的儲量將與化石能源幾乎同時枯竭。因此，我國乃至世界核能的快速發(fā)展均面臨核燃料未來能否穩(wěn)定供應(yīng)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

地球上的釷元素蘊(yùn)藏量巨大。釷與鈾同樣可作為核燃料，但釷不能直接使用，需要先通過核反應(yīng)將其轉(zhuǎn)換成鈾-233再使用，所以稱為釷-鈾核燃料循環(huán)。

熔鹽堆（MSR）是國際第四代反應(yīng)堆6種候選堆型中唯一的液態(tài)燃料堆（另5種堆型為鈉冷快堆、氣冷快堆、鉛冷快堆、超高溫氣冷堆和超臨界水堆）。這種核反應(yīng)堆被通俗地稱為“核爐子”，天然的核燃料和需要轉(zhuǎn)化核的燃料都被熔融于高溫氟化鹽中，熔融狀態(tài)的氟化鹽攜帶著核燃料，有點(diǎn)類似地殼里的巖漿，在“爐子”中燃燒，不斷輸出巨大的能量。這個“爐子”胃口很大，能夠燒更多的核燃料，封入一定的核燃料就能穩(wěn)定運(yùn)行幾十年；這個“爐子”還是“雜食性”的，對燃料來者不拒，現(xiàn)有的核廢料也能夠被再利用，換發(fā)“第二春”；而且這個“爐子”還可做得非常小巧，未來既可建于大城市甚至大型社區(qū)中，也可工作于荒郊野外，為偏遠(yuǎn)山村送去恒久的電力。這是多么誘人的美妙前景啊！

熔鹽堆的基本特性決定了它最適合使用釷-鈾核燃料循環(huán)。使用釷-鈾核燃料循環(huán)的熔鹽堆故稱為釷基熔鹽堆，它具有以下幾個特點(diǎn)：

（1）安全性。熔鹽堆是在常壓下運(yùn)行，而不是像傳統(tǒng)反應(yīng)堆在高壓下工作，操作簡單安全。當(dāng)熔鹽堆內(nèi)溫度超過預(yù)定值時，設(shè)在底部的冷凍塞會自動熔化，攜帶核燃料的熔鹽隨即全部流入應(yīng)急儲存罐，使核反應(yīng)終止。由于冷卻劑是氟化鹽（同時攜帶燃料），冷卻后就變成了固態(tài)鹽，這使得核燃料既不容易泄露，也不會與地下水發(fā)生作用而造成生態(tài)災(zāi)害。同時這樣也使新一代反應(yīng)堆的選址變得更加自由，不限于靠近海洋，在內(nèi)陸也可以建設(shè)。熔鹽堆還可建在地面幾十米深的地下，既可完全隔絕射線，又有利于防御恐怖破壞和戰(zhàn)爭襲擊。

（2）核燃料長期供應(yīng)。關(guān)于陸地釷資源儲量，中科院院長路甬祥認(rèn)為，不太樂觀地估計，釷的儲藏量是鈾資源的3~4倍，而樂觀地估計，則可達(dá)到5~8倍。我國是釷資源大國，若能夠?qū)⑩Q用于生產(chǎn)核能，可保我國能源供應(yīng)千年無憂。

（3）核廢料最小化。熔鹽堆可以對核燃料和反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行在線添加和在線（或鄰堆離線）分離及處理，使得核燃料充分地燃燒，最終卸出的核廢料很少，約為目前的千分之一左右。

（4）防核擴(kuò)散。傳統(tǒng)反應(yīng)堆所產(chǎn)生的核廢料中，有大量易于生產(chǎn)核武器的核燃料钚-239，因此存在核武器擴(kuò)散的風(fēng)險，而科學(xué)界公認(rèn)，釷-鈾燃料循環(huán)不適于產(chǎn)生武器級核燃料，只能用于產(chǎn)生核能。

（5）多用途與靈活性。小型模塊化反應(yīng)堆、混合能源均為未來核能的發(fā)展方向。熔鹽堆是小型模塊化反應(yīng)堆較為理想的堆型，同時熔鹽堆又是高溫堆，適于用作制氫等混合能源的應(yīng)用。因此，未來或可出現(xiàn)小型化、社區(qū)用的核能系統(tǒng)。

綜上所述，釷基熔鹽堆的研究和發(fā)展，無疑為“核恐慌”注入一針鎮(zhèn)靜劑，它不僅有望改變?nèi)澜绲哪茉窗鎴D，還寄予人類以希望，即綠色的、安全的核能并非不存在!

ADS：讓能量放大，讓弊端減少

目前常規(guī)核電存在的弊端主要有兩點(diǎn)，一是反應(yīng)堆中的鈾資源利用率低（小于1%），二是可能導(dǎo)致超臨界事故造成放射性泄漏和核廢料后處理困難等問題。針對這些問題，1993年西歐核子中心的意大利物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者卡羅·魯比亞領(lǐng)導(dǎo)的一個小組提出了利用能量放大器獲得干凈核能的新原理，即強(qiáng)流加速器驅(qū)動的放射性潔凈核能系統(tǒng)（ADS）。

ADS系統(tǒng)的最大特色是將20世紀(jì)最重要的兩大核科學(xué)裝置——粒子加速器和核反應(yīng)堆兩者巧妙而緊密地結(jié)合起來。其基本思想是：利用強(qiáng)流質(zhì)子加速器產(chǎn)生的質(zhì)子束與重靶核（如鉛）發(fā)生散裂反應(yīng)，產(chǎn)生大量快中子以驅(qū)動次臨界反應(yīng)堆來獲得能量增益。通常一個質(zhì)子可以產(chǎn)生幾十個中子，這些中子作為中子源驅(qū)動次臨界堆，使之維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，并嬗變核廢料。因此ADS系統(tǒng)可以滿足核燃料增殖、核廢料嬗變及固有安全性的要求，是未來先進(jìn)核裂變能發(fā)展的另外一個重要方向。

ADS系統(tǒng)具有能量放大的功能，對于以釷為燃料的快中子堆，能量放大倍數(shù)可達(dá)150。這意味著一個功率10兆瓦的加速器可以驅(qū)動功率為1500兆瓦的驅(qū)動堆式核電站。因此，驅(qū)動堆式核電站比常規(guī)核電站有明顯的優(yōu)點(diǎn)，已成為國際上21世紀(jì)的核能發(fā)展的一個最誘人的技術(shù)選擇和核能創(chuàng)新發(fā)展的一個方向。但是，ADS系統(tǒng)對加速器的要求比現(xiàn)有的加速器超過數(shù)十至上百倍，因此，實(shí)現(xiàn)潔凈核能系統(tǒng)要面對科學(xué)、材料和工程技術(shù)等一系列極具挑戰(zhàn)性的重大問題。

國際上迄今還沒有實(shí)現(xiàn)ADS的先例，可見其難度之大。21世紀(jì)初，在中國核工業(yè)總公司組織下，中國原子能科學(xué)院與中國科學(xué)院高能物理研究所在973項目的資助下開展了ADS合作研究。中國原子能科學(xué)院建成了我國ADS次臨界堆實(shí)驗(yàn)平臺——“啟明星1號”。2005年7月18日，“啟明星1號”實(shí)現(xiàn)首次裝料，當(dāng)年12月與加速器實(shí)現(xiàn)成功對接，由已有氘氚反應(yīng)產(chǎn)生的中子來驅(qū)動“啟明星1號”。系統(tǒng)依靠外源中子維持運(yùn)行，在該裝置上已經(jīng)完成了外推實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行脈沖動態(tài)實(shí)驗(yàn)，該項工作已取得階段性成果。

迎接“核文藝復(fù)興”

能源的未來出路在何方？世界上稱得上可利用的清潔無污染的能源有：太陽能、風(fēng)能、潮汐能、水力發(fā)電和核能等，但是太陽能和風(fēng)能與氣候有關(guān)，運(yùn)行不夠穩(wěn)定；水能開發(fā)也已過極限了。核能以能量密度高、低碳排放、可規(guī)模生產(chǎn)的突出優(yōu)勢而成為唯一能大規(guī)模代替化石燃料的未來世界主要能源，目前，核能正在世界范圍內(nèi)全面復(fù)興——在國際上被稱為“核文藝復(fù)興”。

據(jù)統(tǒng)計，截止到2010年 10月，全世界共有441座反應(yīng)堆在運(yùn)行，總裝機(jī)容量達(dá)到376.3百萬千瓦，為全球提供大約16%的電力；法國、瑞士等18個發(fā)達(dá)國家的核電超過本國供電的 20%。到2050年時，核裂變能的發(fā)電量將約占世界總發(fā)電量的50%，這也是第三次世界能源革命的總的趨勢。

大力發(fā)展核能同樣已成為中國能源中長期發(fā)展規(guī)劃的重點(diǎn)。目前，我國在役13個核電機(jī)組，裝機(jī)容量約10百萬千瓦，約占全國發(fā)電總量的1.5%。按照國家發(fā)展改革委的核電發(fā)展規(guī)劃，2020年，我國在役核電機(jī)組將達(dá)到70座以上，占總裝機(jī)容量的4%~6%以上；2030年，我國核電比例將達(dá)到約 10%；2050年將可能超過400百萬千瓦，超過目前全世界核電裝機(jī)容量的總和。

【責(zé)任編輯】龐云