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钍元素:核能开发三思路

日期:2013年6月28日 16:48

福岛核危机,让全世界对核电安全充满了担忧。德国等一些国家甚至宣布要在不久的未来放弃使用核能。 寻找更清洁、更安全的能源获得方式,成为人们更加关心的问题。不久前,英国《每日邮报》报道说,世界上已知的钍元素储量可以至少为全球提供1万年的能源支持。目前,英国科学家们已经在曼彻斯特南部的柴郡平原,建起了一个用于研究钍的小型加速器——EMMA,目的是寻求用钍代替铀作为新型核燃料的方式 为解决人类未来的能源需求,人类研究应用铀和钚的核电技术已经有六七十年了,虽然核电相对于煤电有其不可替代的优点,但是安全性和核废料的处置两大问题一直引起广泛关注。 翻开核能利用的研究发展史,我们注意到科学家早在上世纪50至70年代就研究过钍元素,它作为核燃料应用有很多独特优点,如果拿它来发电,既安全又绿色,是铀和钚最理想的替代品。 储量大、易提炼、更清洁 1吨钍能抵200吨铀的能量 虽然钍元素本身不是裂变物质,但研究发现,一个普通的钍-232原子核吸收一个中子就会变成钍-233,它很快就经历两次β-衰变,变成铀-233,这可是一种长寿命的易裂变物质。

 

而相比于铀元素,用钍做核燃料还有很多天然优势。 第一,地壳表面的钍就是钍-232,几乎不含钍的其它同位素,在原料提取中十分方便,与从天然铀中浓缩只占0.7%的铀-235相比,省了非常费事又成本高昂的一步。 第二,自然界里的钍主要存在于独居石中,而独居石易于开采而且比铀矿丰富得多。据测算,天然铀里的铀-235只够人类使用几十年。除非现在开始投资另外建设一种增殖反应堆,让占天然铀99%以上的不可裂变的铀-238变成可裂变物质钚-239,那才能延长天然铀的使用年限。而有资料称,钍的估计储量是铀储量的3至4倍。 第三,钍在核反应中能更充分地释放能量,有资料显示,一吨钍裂变产生的能量抵得上200吨铀。研究还发现,使用钍来发电只产生相当于传统核电站0.6%的辐射垃圾。

 

有毒的放射性废料大大减少,而且这些核废料只需存放三百年,其后的毒性已经很低,不像使用铀的反应堆那样,有的核废料放射性长达万年以上。 因为自然界里存在的钍几乎全部是不可裂变的钍-232,如果要建造一个使用钍作为燃料的“钍基反应堆”,必须让钍-232接受辐照令其转变为铀-233,随后铀-233吸收中子开始它的链式反应。

 

要实现这一点,目前世界上主要有三种设计思路。 思路之一 改造现有核电站使用铀钍混合燃料 要想钍基反应堆中的钍-232持续不断地转变为铀-233,关键是要提供足够强的中子源来辐照它。现在正在运行的核电站的铀基反应堆就是强大的中子源。如果将钍嵌入低浓缩铀的核反应堆中,只要设计得当,就可以改造成为铀钍混合的核反应堆,高的中子通量不但够维持链式反应的需要,而且还有足够多的中子让钍-232持续生成新的铀-233,实现可裂变物质在堆内的不断增殖。

 

 将目前正在运行的铀基核电站反应堆,改造成为使用铀钍混合燃料或钚钍混合燃料,这是一种容易想到的思路。这种主张认为,改造现在已经成熟运行的核电站,总比重新设计新的要得心应手得多,况且也较为节省。一家名为Lightbridge的公司,提出了这样一种设计思路:在堆芯位置放入一些浓缩铀棒作为产生链式反应的“种子棒”,外围则由氧化铀和氧化钍混合原料制成的棒所包围,这样,链式反应持续进行的同时,实现了利用钍使燃料增殖并同时参与链式反应,使反应堆的输出功率提高三分之一。 思路之二 设计新型钍基熔盐增殖堆 另外一种设计思路被称为熔盐增殖反应堆。在上世纪50年代至70年代中,美国橡树岭国家实验室的科学家,就研究利用液态氟化钍为主要燃料建造钍基熔盐核反应堆,做了很多非常重要的工作,这种反应堆还成功运行了5年之久。

 

 但在冷战达到高潮时,美国政府对追求钍技术已经失去兴趣。原因很简单:钍反应堆无法产生用于制造核武器的材料钚,而铀反应堆在用来发电的同时就生产钚。有人曾经这样说:既然钍拥有很多明显的优势,这个世界为何还要选择铀?答案是:在军用和民用核能上的投入往往关系密切。 今天,因为核电安全问题与未来能源发展战略的大环境需要、材料和技术的进步,推动了钍基熔盐反应堆研究的复苏,受到各国特别是我国和印度科研机构的重视。 作为一个例子,这里简单介绍一种运行在高达摄氏七百度高温下的、没有燃料棒的钍基核反应堆的设计思路。

 

钍基燃料(例如液态氟化钍和氟化铀燃料的混合物)已经混合在主回路的氟化盐冷却剂中,成为一种熔融状态的混合盐类物质。这种堆只需在常规的大气压状态下就可以运行,因此对主回路里的泵和管道的机械性能要求就低得多,使得运行安全有了保障。为了进一步保障安全运行,堆芯下方还设计了一个“易熔塞”。反应堆过热时,这个小塞子会熔化,熔盐就排入一个容器。裂变物质离开了堆芯,核反应就不会达到临界,链式反应就自动停止了,非常安全。 当然,制造这种堆还有很多技术问题需要解决。例如,要在大功率状态下发电运行,所有用于主回路的部件、管道的材料在承受高温的同时是否耐腐蚀、耐辐照,就显得非常重要。 思路之三 用加速器制造中子流注入钍堆 从堆外制造出中子流然后注入钍堆,也是启动核反应的另一办法。

 

具体做法是使用一台高能带电粒子加速器将带电粒子(质子)加速到足够高的能量,让它轰击一块铅靶,便会释放出中子,这些中子被注入钍堆撞击堆芯的钍核,就诞生铀-233从而开始裂变的链式反应。这就是正在设计的“加速器驱动次临界系统”(ADS)。 在这种设计中,堆芯里已经没有铀或钚的参与,这意味着核能的生产更加清洁安全了。这种方法要求高能粒子加速器有较高性能,而目前能满足这种要求的,是一种称为“固定磁场交变梯度”(FFAG)聚焦的同步回旋加速器,它能使被加速到高能量的粒子的回旋半径大大缩小,从而使整个设备的体积大大缩小,使投资建造它成为可能。前不久英国《每日邮报》报道的EMMA电子束加速器就属于这种FFAG型加速器。 常见的核反应堆在“临界状态”时链式反应可持续进行,不需人工干预。

 

但问题是一旦失控就会出现严重事故。前苏联乌克兰切尔诺贝利核电站一个反应堆就是因为在很低功率状态下运行不稳定,超临界失控导致爆炸。现在的ADS系统则不同,当切断质子束那一刻,钍堆内立即没有中子注入,就不能产生足够的裂变物质,无法维持临界状态,于是链式反应迅即自动停止。所以,这种驱动方法是非常好的安全手段,根本不必担心堆芯熔毁。 题图:低温学工程师雷切尔•伯克利站在达斯伯里的EMMA加速环内。 延伸阅读 中科院拟用20年 研发钍基熔盐堆核能系统 今年初,我国中科院宣布计划用20年左右时间研发钍基熔盐堆核能系统,引起了世界的广泛注意。 据中科院副院长李家洋表示,目前国内已探明的铀矿储量比较有限,中科院正在重点研发采用钍元素进行裂变的核电技术,这将有助于解决国内核能发电的原材料瓶颈问题。

 

 资料显示,目前中国的铀矿需要大量进口,每年进口的铀矿在6000-8000吨之间。但是中国的钍资源储量很高,完全可以满足国内长期的核电需求。 (作者为中国科学院原新技术开发局高级工程师、中国科学院老科学家科普演讲团成员)

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