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核能作为清洁能源,发展到今天却遇到了"生死攸关"的问题,虽然各国都在寻找新的技术路线,我国的第三代核电也领先全球,但是始终都要面对一个问题:由于核反应发电的铀235不够用了!相关科学家预计按照现在的速度,最多只够人类使用100年。另外,随着切尔洛贝利核电站、福岛核电站出现事故,民众对核能利用产生的畏惧之情。
那么,作为清洁高效的新型能源,没有铀235,我们只能放弃核能吗?科学家们又是如何解决铀235短缺问题?为何使用钍(tǔ)反应堆替代十分理想,而早年间欧美却放弃了?
铀不够用,核能发电怎么办?
据相关数据统计,目前,全球已明确发现的铀矿大约是700多万吨,其中铀235的占比约为0.7%,铀238占比为99.275%,虽然它们之间只有3个中子的差别,但是铀235就是核燃料,而铀238就是核废料。
这样计算出来,铀235全球储量也就只有4.9万吨,按照我国秦山核电站,每年发电500亿千瓦时,消耗的铀235在5吨左右,即使全球铀235都用在发电上,也只够秦山核电站使用1万年。
但是,随着各国对新能源的需求不断增加,大量的核电站被建造出来,这就迫切需要解决铀235不足的问题,科学家们也尝试使用丰富储量的铀238来代替铀235,衍生出了新的新的快中子增殖反应堆技术,这是以快中子轰击铀238,从而引起裂变核成铀-235或钚-239等裂变链式反应的堆型。
要实现这个变化技术原理上可行,但是实践起来十分困难,尽管人类已经研究了几十年,但是涉及这些增殖反应堆的复杂技术,尚未被充分应用于可节省投资的发电。
历史上,我国被称为"贫铀国",著名地质学家李四光不相信,先是找出了油井,紧接着就接过了找铀矿的重任,其实李四光早有准备,1949年回国时,他就带回一台伽马射线仪,可以探测铀矿射线,准确定位地下铀矿。1955年1月15日,我国的第一块铀矿石从广西富钟县被发现,然后带到了中南海。
到目前为止,我国已探明大小铀矿200多个,探明储量为10万吨,2012年内蒙古又发现了大型铀矿,预估储量为5万吨,这使得我国扔掉了"贫铀国"的帽子,跻身于世界9大产铀国之列,国际原子能机构(iaea)预测中国可能的铀储量为177万吨。
既便如此,根据何祚庥院士的测算,如果我国要实现"2050 年核电达到 4 亿千瓦以上"的既定目标,将至少面临"高达 400 万吨天然铀可采储量"的短缺,这个数字已经占到全世界铀资源总储量的 72%。
这就亟需我们两条腿走路:一是继续寻找铀矿资源,精细化使用铀矿,提高使用效率;二是,寻找铀235的替代产品。
实际上,核能发电一直没有脱离"烧开水"这个原理,都是在利用核裂变过程中产生的热能来"烧开水",然后推动发电机工作。科学家们想到了2点:一、不烧开水行不行?二、不用铀235烧行不行?
答案是肯定的。
首先,科学家们发现使用熔融状态的混合盐作为核反应堆的冷却剂,由于比热容较大,可以获得更高的热效率。同时与"烧开水"相比,具有以下特点:
1、可以实现增殖。使用Li、Be、Na、Zr等氟化盐以及溶解U、Pu、Th的氟化物熔融混合,作为核燃料,可以在600-700℃和低压的情况下,直接进入热能交换器进行能量交换,并且UF4和PuF3作为裂变燃料,可以产生热量和中子,此时ThF4和UF4作为增殖燃料,吸收了中子,可以产生新的裂变燃料U或者Pu,经过在线萃取,可以再次进入反应堆循环。
这种反应堆叫做"熔盐反应堆",神奇的是这种堆型在运行几年后,还可以重新装配一套新的反应堆所需的燃料。
试想,如果航天、航空运用此类型反应堆,不但可以利用这样的燃料特性做到小型化,并且不断增殖,可以提供持续动力,多么神奇!
2、水的沸点只有100℃,在反应堆中交换热量时,管道压力很大,并且传递热效率很低。例如
压水堆的热转换效率只有33%,熔盐堆可以达到45%。
不仅如此,压水堆等一旦发生管道破损,辐射物可以随着水蒸气四处飘散。而使用熔盐堆可以在常规大气压下运行,因此管道不需要太厚,使用寿命也显著增加。
3、熔盐堆最大的商业优势是在核废料的处理上,采用核废料混合反应,无疑可以减少废料处理难题。
为何美国放弃钍反应堆?
看到这样的优势,美国在1946年启动了核能飞行器的研制计划,1954年美国橡树林实验室制造了NaF-ZrF4熔盐堆(ARE)实验工作,但是这个目标发电2.5MW的空间动力实验,6年后终止。
1963年,在该实验的技术上,建成了8MW的熔盐实验堆(MSRE),一共运行了5年时间,计算时间为:3000小时,相关研究表明:安全、高效。1971年,设计了1GW钍基熔盐增殖堆核电系统,1976年,使用铀238和钚239作为燃料发展"钠冷快堆",使用钍232和铀233的熔盐堆计划被废弃。
那么既然熔盐堆有这么多好处,为何美国在实验成功之后,很快就放弃了呢?
让我们回顾美国橡树林实验室的2.5MW和8MW的熔盐实验堆(MSRE)到底发生了什么,来一探究竟。
这2次实验证实了以下成果:
1、用FLiBe用于熔盐堆稳定高效,并且和慢化剂石墨相融性较好;
2、使用"哈斯特洛镍合金-N"材料可以控制反应堆容器、管道、热量交换器等部位的腐蚀水平;
3、核燃料和裂变产物可以在线分离,例如:裂变的产物氪和氙可以从熔盐中成功分离;
4、熔盐堆的燃料十分广泛,其中包括U235,U233和Pu239;
但是,通过实验也发现,上述的管道材料虽然可以控制腐蚀水平,但是金属特性还是会持续下降,要解决这个问题涉及到核物理、化学、材料等交叉学科,一时间难以解决。
另外,二次回路的临界问题,以及石墨材料受到辐射之后的稳定性也需要重新评估。最为难办的是熔盐燃料中镧系和锕系元素的溶解性,以及热交换器中金属团聚问题都难以解决。
这相当于,管道、热交换器的腐蚀和"水垢"问题没有好的解决方案。所以这种固态的熔盐堆最终被废弃,转而使用快堆技术。
虽然1971年设计的钍基熔盐堆(TMSR)能避免这些,但是在美苏争霸的冷战时期,显然美国人等不急。
钍基熔盐堆使用液态氟化钍作为燃料和冷却剂,在反应过程中处于熔融状态,压力和机械应力更小,没有爆炸的危险,并且如果管道、反应器发生破损,能够迅速凝固,不会像福岛核电站那样污染水源。
其基本原理是使用"钍232"增殖"铀233"和"钚239",其优势明显,不但能显著缓解铀235紧缺问题,在减少核废料上也十分有效。但是由于熔盐反应堆普遍发电功率较小(一般在2MW-),管道腐蚀等问题的影响,在美苏两国的竞争情况下,被中止了。
自上世纪40年代至今,钍一直是最诱人的替代选项。和铀不同的是,钍储量丰富、分布广泛。它不需要像铀一样,经过精细的浓缩;而且不容易制成炸弹。另外,钍反应堆的设计有其与生俱来的安全性,可以在反应堆失控时关闭。而且,钍的放射性废物半衰期较短--几个世纪内就能转化为无害物质。
所以,印度、中国、印尼等国都继续试验钍反应堆,并尝试用熔融盐作为燃料,荷兰接过接力棒,重启当初的橡树岭实验。
中国发力钍基熔盐,有何突破?
在我国大型铀矿还没发现前,中国的科学家将目光就移到了替代材料上,相对于万年不消的铀矿辐射,钍的半衰期很短,经过中子撞击之后又可以转换成铀-233再使用的核能物质,是稀土之一。
既然铀矿我国储量并不丰富,为何不用储量丰富的稀土矿呢?
首先,自然界的就天然存在钍232,免去了铀浓缩、提纯的过程,拿来就用,很是方便。其次,我国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。最后,钍在核反应中能更充分地释放能量,一吨钍裂变产生的能量抵得上200吨铀。
最重要的一点是它的安全性,不但不会像铀235那样轻易发生裂变,需要中子轰击变成铀233才真正开始工作,没有中子注入,这个链式反应就终止了。上文也提到熔盐冷却就成为固态,即使发生泄露,也凝固在反应堆附近,不会扩散。另外使用钍只会产生核能,废料不会被拿来作为"贫铀弹"。
所以,当科学家们发现我们的稀土废料中的钍就十分激动,"变废为宝"行动就此开始了。
1970年,上海市启动了"728工程",准备采用钍基熔盐堆技术,目标是建立一座25MW的核能发电站,后来考虑到实验性,改为在秦山建造30MW的轻水堆。
上海原子核研究所在1971年和1973年分别建成可零功率熔盐堆和水堆,用于开展钍基燃料实验,此后研究一直没有中断。
实际上之所以没在上海实现"728工程",最主要的原因是,当时上海需要实现尽快发电,而不是实验性的核能新方向。
2011年,中国科学院启动了"未来先进核裂变能"战略性先导科技专项,钍基熔盐堆核能系统作为其两大部署内容之一,由于固态燃料熔盐堆和液态燃料熔盐堆需要相同的技术基础,具有不同的用途,前者技术成熟度较高,可以作为后者的预先研究,因此专项采取了两种堆型研发同时进行、相继发展的技术路线。
计划用20年左右的时间,致力于研发第四代先进裂变反应堆核能系统,实现核燃料多元化、防止核扩散和核废料最小化等战略目标。
这个计划分为三步走:
1、2011-2015年,起步阶段。建立完善的研究和实验平台,建立一个2MW钍基熔盐反应堆;
2、2016-2020年,发展阶段。全面解决科学和技术问题,达到世界领先水平,建成10WM钍基熔盐反应堆;
3、2020-2030年,成熟阶段。解决系统集成问题,实现小型模块化熔盐系统的产业化。建成100MW的示范性工程。
第一步,就将项目落地在甘肃省威武市,目前相关建设虽然比计划稍微迟缓,但是正是坚持绝对安全性保障的前提性进行的,目前已经竣工。经过多次安全部门抽验,全部合格。预计将在9月开始测试。功率虽然只有2MW,但是可以为约1000住户提供电能。
这将是自1969年美国橡树岭国家实验室研究人员关闭其反应堆以来,运行的首个熔盐反应堆,也是第一个以钍为燃料的熔盐反应堆。外媒评价"中国的测试会受到密切关注,中国人或将彻底改变核工业。"
那么,这么多国家没有取得成功,中国是如何实现的呢?
首先,使用新型材料解决燃料盐对管道的腐蚀作用,制造出了耐中子辐照性能的管道材料。
其次,经过多年实验,已经掌握了系统性的技术,相关成果已经发布,知识相当硬核,在此不赘述。
最后,完成相关系统性验证,进入工程验证阶段,为最终商用建立工程基础。
作为第四代核能技术的重要方式之一,中国领先全球做出实质性的探索,为未来实现核反应堆商业化提供全面的领先技术,这就是大国责任,这就是中国制造的魅力。