60年前,美國的先進技術曾經創下了世界首例!如今再度重啟,進度卻落在了我國后面。
這項技術,名叫釷基熔鹽堆,是第四代核電站的重點項目之一。正如比爾·蓋茨所說的那樣,中國的核電站技術,正在挑戰美國等國家的領先地位。
釷基熔鹽堆,到底是什么?它到底有多牛?
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釷基熔鹽堆
所謂的堆,指的就是核反應堆,也就是整個核電站的“心臟”。核反應堆的結構是非常復雜的,簡單來說,它包含了核燃料、慢化劑、冷卻劑、控制系統、反應堆容器、屏蔽層等。這里會進行核裂變反應,產生能量。同時又要通過各種各樣的裝置來控制反應速度,保證核反應的平穩進行,不至于超出承受極限。
目前來說,世界上已經研發成功的核反應堆有很多種,主要包含壓水堆、沸水堆、重水堆、氣冷堆、快中子堆等,而熔鹽堆,就是一種新型的核反應堆。
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說它新型,其實是我們最近剛剛讓它從理論走進了現實。如果說起它最早的研究,其實可以追溯到差不多八十年前!
1940年代末,美國橡樹嶺實驗室為“核動力飛機”計劃開發了熔鹽堆原型——ARE(飛行器反應堆實驗)。雖然它使用的是鈾燃料,但奠定了熔鹽技術的基礎。1965年,美國建成了世界上第一座以釷為燃料循環的實驗堆——MSRE,這才是真正意義上的“釷基熔鹽堆”。
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但美國的研究并沒有持續下去。有專家推測,大概是冷戰時期經濟過于緊張,這種研究又不能直接用來轟炸蘇聯,美國就放棄了這方面的研究。
而在遙遠的東方,我國從1970年開始啟動釷基熔鹽堆的研究,算下來也有55年的時間了。由于該項目是當年2月8日啟動的,所以又被稱為“728工程”。
不過,這項工程確實非常難,對當時的我國來說也確實力不從心。但728工程也沒有浪費,它促成了我國的第一座核電站——秦山一期30萬千瓦壓水堆。
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進入21世紀后,相關研究再一次被提及,美國能源部牽頭發起了第四代核能系統國際論壇。當時論壇上一共提出了六個候選堆型,熔鹽堆就是其中之一。
從此以后,不只是美國,法國、俄羅斯、日本、韓國等國家紛紛展開了對熔鹽堆的研究。而以釷元素為反應原料的熔鹽堆最受青睞,這就是所謂的釷基熔鹽堆了。
2011年,中國科學院啟動了“未來先進核裂變能—釷基熔鹽堆核能系統(TMSR)”戰略性先導科技專項。甘肅武威成為我國釷基熔鹽堆核能系統的試驗與示范應用基地。
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我們都知道,目前的核裂變反應,使用的原料普遍是放射性元素鈾-235。可是,釷在自然界占據絕大多數的同位素釷-232,放射性極弱,那它是怎么參與核反應的呢?
在這種反應堆里,科學家會首先利用中子進行轟擊,使得釷-232轉化為釷-233,后者就是放射性元素了,而且半衰期非常短,僅有21.83分鐘。很快,它就會通過β衰變變成鏷-233,后者再衰變為鈾-233。這個鈾-233,就可以作為核燃料使用了。
釷基熔鹽堆的優勢
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為什么我們放著已經成熟的鈾不用,反而要繞遠路,拿釷來制鈾呢?
- 資源含量不同
鈾是一種比較稀有的放射性金屬元素,在地殼中的平均含量只有百萬分之二左右。盡管我國的鈾儲量在世界范圍內也不算低,但普遍品位低,埋藏深,開采的成本和難度都比較高。
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當年造原子彈的時候,我國就被鈾卡了很久。直到今天,我們的核電站使用的鈾礦,有2/3都依賴進口。
現在,大家一看到“依賴”“進口”這種詞,一下子就會想到三個字——卡脖子。一旦未來某些國家要跟我們拼命,切斷了對我國鈾的輸入,我們的發展將會面臨巨大的危機。
玩過游戲紅警的人都知道,電廠不能有效運轉,對一個國家來說面臨的是什么。
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但釷不同。目前我國已探明的釷資源儲量有差不多30萬噸,僅次于印度,位居世界第二。而且,我國的釷分布比較廣泛,有超過20個省市區已經發現了釷礦資源。
更重要的是,釷的開采難度遠遠低于鈾,它甚至只是開采稀土時的伴生副產品。也就是說,即使不特意開采釷資源,我們也可以通過開采稀土時的副產品加以“廢物利用”,就能得到釷資源,成本大大降低。
- 安全
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核反應堆最首要的問題,就是安全。有沒有電放在一邊,最起碼咱們得安全才行。核電站有多危險,切爾諾貝利和福島都已經給出了血淋淋的教訓。
而釷基熔鹽堆的好處,就是其中的熔鹽既可以做燃料,又可以充當冷卻劑。它不再像傳統核電站一樣使用固體棒,而是反應原料在熔鹽中流動。這些熔鹽是極難汽化的,所以不需要高壓環境,這就避免了相關操作失誤可能帶來的悲劇。
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不僅如此,當反應堆的溫度過高的時候,傳統的核電站可能就會面臨反應速度過快導致的核事故,而熔鹽堆恰恰相反,其物理性質的改變會抑制反應的進行。也就是說,如果真的特別熱了,它反而就會停止反應了,不容易引發核事故。
科學家的研究早就指出,釷這種元素,是不適合用來做核武器的。這說明什么?說明它安全啊,拿來發電正合適啊!
- 選址自由
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另外,傳統的核電站,都需要巨量的水來降溫。一座百萬千瓦級的常規核電機組,每小時就需要幾千噸冷卻水!一旦斷水,堆芯就有可能過熱,導致熔毀,釀成災難。
那么,哪里可以源源不斷地提供水呢?
顯然,最合適的地方,就是海邊。退而求其次,大河、湖泊的旁邊也可以。目前世界上的核電站,普遍都是這樣選址的。
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而釷基熔鹽堆里使用的高溫熔鹽,被稱為完美的“熱量搬運工”,靠自食其力就能在循環過程中帶走多余的熱量,不需要那么多水來冷卻。
正因為擺脫了對水的依賴,釷基熔鹽堆可以不再建設在水邊,以防像福島核電站那樣面臨臺風釀成核事故的風險。比如我國這座熔鹽,直接就建在了戈壁灘!未來,隨著相關技術的發展,釷基熔鹽堆甚至可以建設在地下,進一步避免自然災害或者恐怖襲擊導致的核事故。
- 核廢料少
不僅如此,釷基熔鹽堆還能有效解決一個重大難題——核廢料的處置。
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通過對核燃料和反應產物進行在線添加和在線分離處理,釷基熔鹽堆的核燃料燃燒非常充分,從而大幅減少核廢料的產生。研究表明,和鈾-235的反應堆相比,釷基熔鹽堆的核廢料只有其1/10(有研究甚至說是1/1000)左右!
總結
說了這么多,這種釷基熔鹽堆到底有多牛,相信大家就明白了。在可控核聚變走進現實之前,這種第四代核反應堆相比于傳統反應堆,也算是一種蛻變了。
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盡管美國六十年前曾經研究過,但再次重啟時,直到今天尚無官方通報的任何實質性突破,進度和我國相比已經不占優勢了,恰如當年的載人登月一樣。
今天的美國,看樣子已經不復當年之勇了。
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