我國啟動研制四代核能系統(tǒng) 為綠色發(fā)展提供不竭動力

面對能源危機(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，成為較為理想的替代能源。但是，當(dāng)前核能利用過程中也存在著諸多缺陷有待克服：如核安全問題始終像達(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發(fā)展核能的擔(dān)憂，但人類對替代能源的追尋永遠(yuǎn)不會止步。我國科學(xué)家已經(jīng)啟動研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的四代核能系統(tǒng)，試圖破解當(dāng)前和未來核能發(fā)展所面臨的諸多難題，為我國的綠色發(fā)展提供不竭動力。

　　釷—— 鈾的超級替補(bǔ)

　　在包鋼的尾礦壩，7萬噸釷被當(dāng)作下腳料一樣，堆放在1.5億噸尾礦中。可能很少有人知道，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)藏量僅占鈾蘊(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：如果按照國際通用算法，未來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量約為鈾的3至4倍。在我國，釷鈾儲量之比約為6:1，已探明的釷工業(yè)儲備量約為28萬噸，僅次于印度，居世界第二位。據(jù)原包頭市稀土研究院院長馬鵬起測算，白云鄂博礦區(qū)的釷礦資源可支撐中國能源需求5000年。

　　釷替代鈾，還具有很多優(yōu)勢。與鈾在進(jìn)入反應(yīng)堆之前必須經(jīng)過高濃縮不同，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350萬噸煤炭。諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、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，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。而科學(xué)界公認(rèn)，釷—鈾燃料循環(huán)不適于生產(chǎn)武器級核燃料，只能用于產(chǎn)生核能。

　　釷的諸多優(yōu)勢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)系國家全局和長遠(yuǎn)發(fā)展的重大科技問題。其中，未來先進(jìn)核裂變能專項(xiàng)致力于解決我國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工程師董加勝介紹說，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，會導(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，作為國際第四代反應(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)簡單、可以在常壓下運(yùn)行、燃料雜食性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。新爐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)熔鹽溫度超過預(yù)定值時，設(shè)在底部的冷凍塞將自動熔化，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。此外，熔鹽堆工作在常壓下，操作簡單安全。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)爭襲擊。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。

　　核燃料長期穩(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)。

　　未來先進(jìn)核能先導(dǎo)專項(xiàng)還包括加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)（ADS），它是國際公認(rèn)的最有前景的處置核廢料的嬗變技術(shù)之一，是未來徹底解決核廢料對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，相對國際上現(xiàn)有兩種處理核廢料的方式，即一次通過和閉式循環(huán)，加速器驅(qū)動次臨界系統(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，這對材料本身提出了極其嚴(yán)格的要求。董加勝說，對燃料鹽的包容是研究的難點(diǎn)之一，即使國外商用HastelloyN合金，也依然存在長期服役后輻照開裂等諸多問題。

　　圍繞未來先進(jìn)核裂變能先導(dǎo)專項(xiàng)，中科院開展了聯(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。

　　金屬所副所長張健介紹說，金屬所已經(jīng)研制出具有自主知識產(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)到或超過了國外同類合金水平，在純凈度方面具有明顯優(yōu)勢。

　　由于全球新一代核反應(yīng)堆尚處于研發(fā)中，因此，我國通過自主研發(fā)、自行設(shè)計(jì)制造四代堆，能夠掌握全部知識產(chǎn)權(quán)，保證我國未來的國家能源安全。

　　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。但這僅僅只是一個開始，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)還有很長的路要走。從過去的情況看，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，會經(jīng)歷二三十年的漫長過程。

　　根據(jù)中科院制定的核能中長期發(fā)展路線圖，在釷基核能系統(tǒng)方面，我國計(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。

　　從核能中長期發(fā)展路線圖可見，現(xiàn)在還處于發(fā)現(xiàn)問題的前期階段。（經(jīng)濟(jì)日報(bào)記者 杜 銘）