熔鹽堆示意圖

　　面對(duì)能源危機(jī)、霧霾圍城,核能以綠色、高效、低碳排放和可規(guī)模生產(chǎn)的突出優(yōu)勢(shì),成為較為理想的替代能源。但是,當(dāng)前核能利用過(guò)程中也存在著諸多缺陷有待克服:如核安全問(wèn)題始終像“達(dá)摩克利斯之劍”,讓公眾心存顧慮;核燃料供應(yīng)、核廢料處理及核武器擴(kuò)散等問(wèn)題,也一直困擾著核能的發(fā)展。
　　雖然日本福島核電站核泄漏事故曾引起全世界對(duì)發(fā)展核能的擔(dān)憂,但人類對(duì)替代能源的追尋永遠(yuǎn)不會(huì)止步。我國(guó)科學(xué)家已經(jīng)啟動(dòng)研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的四代核能系統(tǒng),試圖破解當(dāng)前和未來(lái)核能發(fā)展所面臨的諸多難題,為我國(guó)的綠色發(fā)展提供不竭動(dòng)力。
　　釷—— 鈾的“超級(jí)替補(bǔ)”
　　在包鋼的尾礦壩,7萬(wàn)噸釷被當(dāng)作“下腳料”一樣,堆放在1.5億噸尾礦中?？赡芎苌儆腥酥?釷這種幾乎被人“遺忘”的重金屬元素也能做核燃料。這是因?yàn)?釷本身并不會(huì)像鈾235那樣發(fā)生裂變,只有用中子轟擊它,才能將其轉(zhuǎn)換成鈾233再使用,被稱為釷—鈾核燃料循環(huán)。
　　據(jù)介紹,目前全世界運(yùn)行的核反應(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?jī)H占鈾蘊(yùn)藏總量的0.71%,其余絕大部分是鈾238,占99.2%。中科院上海應(yīng)用物理研究所研究員徐洪杰介紹說(shuō):“如果按照國(guó)際通用算法,未來(lái)30年核電規(guī)模為現(xiàn)在的7倍,那么鈾235礦將在40年內(nèi)用盡。”
　　和鈾相比,釷的優(yōu)勢(shì)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(chǔ)量約為鈾的3至4倍。在我國(guó),釷鈾儲(chǔ)量之比約為6:1,已探明的釷工業(yè)儲(chǔ)備量約為28萬(wàn)噸,僅次于印度,居世界第二位。據(jù)原包頭市稀土研究院院長(zhǎng)馬鵬起測(cè)算,白云鄂博礦區(qū)的釷礦資源可支撐中國(guó)能源需求5000年。
　　釷替代鈾,還具有很多優(yōu)勢(shì)。與鈾在進(jìn)入反應(yīng)堆之前必須經(jīng)過(guò)高濃縮不同,釷是直接可利用的核燃料。1噸釷裂變產(chǎn)生的能量抵得上200噸鈾,相當(dāng)于350萬(wàn)噸煤炭。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn),更加和平地利用核能。傳統(tǒng)鈾反應(yīng)堆產(chǎn)生的核廢料中,有大量易于生產(chǎn)核武器的核燃料钚239,存在核擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)。而科學(xué)界公認(rèn),釷—鈾燃料循環(huán)不適于生產(chǎn)武器級(jí)核燃料,只能用于產(chǎn)生核能。
　　釷的諸多優(yōu)勢(shì)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(tǒng)(TMSR)”作為首批戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)之一的理由。據(jù)介紹,“先導(dǎo)專項(xiàng)”定位于解決關(guān)系國(guó)家全局和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的重大科技問(wèn)題。其中,“未來(lái)先進(jìn)核裂變能”專項(xiàng)致力于解決我國(guó)乃至世界核能快速發(fā)展均面臨的“核燃料的穩(wěn)定供給”和“核廢料的安全處置”等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
　　四代堆化解“三大挑戰(zhàn)”
　　“熔鹽堆被認(rèn)為是釷資源利用的理想堆型。”中科院金屬研究所高級(jí)工程師董加勝介紹說(shuō),傳統(tǒng)固態(tài)反應(yīng)堆的缺點(diǎn)在于堆反應(yīng)的復(fù)雜性。堆芯熔毀事故嚴(yán)重時(shí),會(huì)導(dǎo)致核燃料坍縮到臨界質(zhì)量而導(dǎo)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(tài),所有問(wèn)題都將迎刃而解,這也是熔鹽堆出現(xiàn)的主要原因。
　　“熔鹽堆使用熔融狀態(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。”徐洪杰說(shuō),作為國(guó)際第四代反應(yīng)堆核能系統(tǒng)研究的6種候選堆型中唯一的液態(tài)燃料堆,它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可以在常壓下運(yùn)行、燃料“雜食性”強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。“新?tīng)t子”可以做得非常小巧,封入一定的核燃料就能穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)十年,而經(jīng)過(guò)充分燃燒,理論上其產(chǎn)生的核廢料將僅為現(xiàn)有技術(shù)的千分之一。
　　熔鹽堆還具有諸多安全特性。當(dāng)熔鹽堆內(nèi)熔鹽溫度超過(guò)預(yù)定值時(shí),設(shè)在底部的冷凍塞將自動(dòng)熔化,攜帶核燃料的熔鹽隨即全部流入應(yīng)急儲(chǔ)存罐,使核反應(yīng)終止。此外,熔鹽堆工作在常壓下,操作簡(jiǎn)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(zhàn)爭(zhēng)襲擊。由于冷卻劑是氟化鹽(同時(shí)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(huì)與地下水發(fā)生作用而造成生態(tài)災(zāi)害。
　　“核燃料長(zhǎng)期穩(wěn)定供應(yīng)、核廢物最小化處置、防止核武器擴(kuò)散,是核能發(fā)展面臨的‘三大挑戰(zhàn)’。”這也是我國(guó)第四代核能系統(tǒng)的預(yù)定目標(biāo)。相比目前的主流核電技術(shù)——第三代反應(yīng)堆,四代堆包括了核燃料加工技術(shù)、反應(yīng)堆技術(shù)和核廢料處理技術(shù),所以稱為核能系統(tǒng)。
　　“未來(lái)先進(jìn)核能”先導(dǎo)專項(xiàng)還包括加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)(ADS),它是國(guó)際公認(rèn)的最有前景的處置核廢料的嬗變技術(shù)之一,是未來(lái)徹底解決核廢料對(duì)生物圈危害的重要技術(shù)。中科院金屬研究所研究員楊柯說(shuō),相對(duì)國(guó)際上現(xiàn)有兩種處理核廢料的方式,即一次通過(guò)和閉式循環(huán),加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)(ADS)可在閉式循環(huán)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步利用核嬗變反應(yīng),將長(zhǎng)壽命、高放射性核素轉(zhuǎn)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(qiáng)腐蝕和中子輻照等多重極端環(huán)境下工作,核島內(nèi)聚合物也需在輻照的條件下工作,這對(duì)材料本身提出了極其嚴(yán)格的要求。”董加勝說(shuō),對(duì)燃料鹽的包容是研究的難點(diǎn)之一,即使國(guó)外商用HastelloyN合金,也依然存在長(zhǎng)期服役后輻照開(kāi)裂等諸多問(wèn)題。
　　圍繞“未來(lái)先進(jìn)核裂變能”先導(dǎo)專項(xiàng),中科院開(kāi)展了聯(lián)合攻關(guān)。包括上海應(yīng)用物理研究所、蘭州近代物理研究所在內(nèi)的數(shù)家科研單位,分別承擔(dān)了不同的研究課題,金屬所承擔(dān)的兩項(xiàng)課題,一是熔鹽堆結(jié)構(gòu)金屬材料,二是用于ADS嬗變系統(tǒng)的新型耐高溫、抗輻照、抗液態(tài)金屬腐蝕材料。
　　金屬所副所長(zhǎng)張健介紹說(shuō),金屬所已經(jīng)研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的GH3535合金,其耐熔鹽腐蝕、抗氧化,以及物理、力學(xué)等各項(xiàng)性能,均達(dá)到或超過(guò)了國(guó)外同類合金水平,在純凈度方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。
　　由于全球新一代核反應(yīng)堆尚處于研發(fā)中,因此,我國(guó)通過(guò)自主研發(fā)、自行設(shè)計(jì)制造四代堆,能夠掌握全部知識(shí)產(chǎn)權(quán),保證我國(guó)未來(lái)的國(guó)家能源安全。
　　“目前,先進(jìn)核能專項(xiàng)已完成ADS系統(tǒng)研究裝置和2兆瓦固態(tài)燃料釷基熔鹽堆的概念設(shè)計(jì)。”中科院日前向記者通報(bào)了先導(dǎo)專項(xiàng)的研究進(jìn)展。但這僅僅只是一個(gè)開(kāi)始,距離“更安全、更清潔、最終也更便宜”的釷反應(yīng)堆為人類服務(wù)還有很長(zhǎng)的路要走。從過(guò)去的情況看,每一代反應(yīng)堆從實(shí)驗(yàn)室攻關(guān)到進(jìn)入中試階段,再到核電站的商業(yè)運(yùn)作階段,會(huì)經(jīng)歷二三十年的漫長(zhǎng)過(guò)程。
　　根據(jù)中科院制定的“核能中長(zhǎng)期發(fā)展路線圖”,在釷基核能系統(tǒng)方面,我國(guó)計(jì)劃分3步走:到2015年,集中力量加強(qiáng)釷鈾循環(huán)和熔鹽反應(yīng)堆技術(shù)的基礎(chǔ)研究和技術(shù)攻關(guān);在此后的2020年和2030年前后,力爭(zhēng)完成10兆瓦的釷基熔鹽原型堆和100兆瓦的示范堆;最終進(jìn)入商業(yè)化用途階段,預(yù)計(jì)在2040年前后。
　　從“核能中長(zhǎng)期發(fā)展路線圖”可見(jiàn),現(xiàn)在還處于“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題”的前期階段。