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      2021年12月17日 星期五
      釷基熔鹽堆試運行,內陸建核電站在望?
      所屬分類:技術前沿
      來源:科工力量
      作者: 鐵流
      更新日期:2021-12-07

      前言

      不久前,甘肅武威釷基熔鹽堆進行了試運行。釷基熔鹽堆成功擺脫了之前鈾和钚元素為燃料的核能發電模式,改用以放射性極低的釷元素為核燃料,在核能發電領域具有劃時代意義。相對于項目奠基時“道士做法保平安”的鬧劇,之后的建設和裝機,以及本次順利試運行均體現出我國在核電領域深厚的技術實力。一旦釷基熔鹽堆核能系統技術成熟投入使用,對于我國核電產業的進步和能源安全都有積極作用。

      01、釷基熔鹽堆優點多中國釷儲量豐富

      第四代核能系統國際論壇(GIF)共推薦了6種先進核能系統:鈉冷快堆(SFR)、超高溫氣冷堆(VHTR)、超臨界水堆(SCWR)、氣冷快堆(GFR)、鉛冷快堆(LFR)和熔鹽堆(MSR),作為四代核電的候選堆型。

      釷基熔鹽堆是6種第四代反應堆之一,在固有安全性、經濟性、核資源可持續發展等方面具有優勢。熔鹽堆的起源源于軍事需要,半個多世紀前,美國空軍啟動Aircraft Nuclear Propulsion,為轟炸機尋求航空核動力,美國橡樹嶺國家實驗室承擔了Aircraft Nuclear Propulsion中核能引擎反應堆的研發任務,于1954年建成第1個用于軍用空間核動力研究的2.5MW熔鹽堆。

      在上世紀60年代,美國橡樹嶺國家實驗室成功運行了8MW熔鹽實驗堆3000小時,證明了熔鹽堆的可行性。不過,由于戰略導彈的異軍突起,使核動力轟炸機變為雞肋,熔鹽堆也隨之轉向民用。然而,冷戰時期美國政府更加青睞適合生產武器用钚、具有軍民兩用前景的鈉冷快堆,放棄了更適合釷鈾燃料循環、側重于民用的熔鹽堆。

      在上世紀70年代,蘇聯也開始研究熔鹽堆。不過,受切爾諾貝利核事故與蘇聯解體的影響,相關研究近乎停滯。在70年代,清華大學也曾經研究過熔鹽堆,不過受資金限制,主要側重于前期技術預研,并未建設實驗堆。1971年,上?!?28工程”建成了零功率冷態熔鹽堆并達到臨界,但限于當時的科技、工業和經濟水平,后轉為建設輕水反應堆。

      雖然中美蘇都曾經放棄熔鹽堆,但這并非熔鹽堆本身存在致命技術缺陷,更多的只是時運不濟,熔鹽堆技術是非常先進的,潛力也是非常巨大的。
      首先,熔鹽堆具有較高的安全性。液體熔鹽堆采用高溫熔鹽作核燃料,燃料已經融在了液體中,它們的工作壓力比常規核反應堆更低,降低了爆炸性熔毀的風險。同時,熔鹽兼作載熱劑,不需專門制作燃料組件,因而杜絕了堆芯融化事故發生的可能。加上熔鹽的低蒸氣壓減少了破口事故的發生,即便發生破口事故,熔鹽在環境溫度下也會迅速凝固,能夠防止事故進一步擴展。

      其次,熔鹽堆可有效利用核資源和防止核擴散。由于釷基熔鹽堆所使用的釷很難用于核武器制造,因而推廣釷基熔鹽堆能大幅降低核擴散的風險。因此,一些科學家支持將釷作為燃料,因為與鈾相比,釷的廢料被武器化的可能性更小。

      再次,釷基熔鹽堆的熱功率密度和發電效率高。釷基熔鹽堆的堆芯結構較為簡單,因而可以設計成具有較高功率輸出的小型反應堆。釷基熔鹽堆發電效率高達45%—50%,麻省理工學院的核工程師CharlesForsberg說,與常規核電站中的輕水反應堆相比,熔鹽反應堆的運行溫度要高得多,意味著它們的發電效率更高。

      最后,釷的儲量非常豐富。地球地層中釷的儲量較高,如螢石礦中就含有釷,儲量遠高于鈾和钚等元素。釷礦來源豐富,世界各國已探明儲量達幾百萬噸,我國20多個省和地區都已發現具有相當數量的釷資源,探明儲量位居世界前三,2005年中國科學院的資料顯示,僅內蒙古白云鄂博礦區釷儲量約為22萬噸。

      諾貝爾物理學獎獲得者,卡羅·盧比亞曾表示,如果用它(釷)來發電,按照目前的電能消耗來算,中國釷的儲量能夠保證未來許多個世紀的發電供應,大致可以使用兩萬年。必須指出的是,中國的鈾礦儲備雖然并不出眾,但在釷的儲量非常豐富,一旦釷基熔鹽堆大規模投入商業運營,中國基本不必為核燃料來源擔憂。

      正是因為釷基熔鹽堆有上述優點,以及中國釷儲量豐富,早些年,中國科學院啟動了“未來先進核裂變能”戰略性先導科技專項,釷基熔鹽堆核能系統作為其兩大部署內容之一,計劃用20年左右的時間,致力于研發第四代先進裂變反應堆核能系統,實現核燃料多元化、防止核擴散和核廢料最小化等戰略目標。本次甘肅的釷基熔鹽堆試運行,則是我國在釷基熔鹽堆方面取得的階段性成果。

      02、不必對核電站修建在內陸畏之如虎

      受切爾諾貝利核事故和福島核事故的影響,核電的安全性一直備受爭議,不少人甚至“談核色變”,對于在我國腹地修建核電站的爭議始終未平息。根據官媒報道,我國計劃在甘肅省建立兩座釷基熔鹽堆核電站,本次武威的核電站只是其中一座。此前,江西彭澤核電站、湖北咸寧核電站、湖南桃花江核電站在等待批復時就遭到非議,認為內陸不適合建核電站。

      其實,核電站修在內陸還是海邊對安全性影響不大。過去,中國過去主要將核電站修建在海邊,并非純粹因為技術原因,而是綜合經濟等因素考慮的結果。經濟方面,由于中國東南沿海地區人口稠密,經濟比較發達,對電力的需求相對較高。如果將核電站建設在中西部地區,遠程輸電將會造成較大的電能損耗,非常不經濟,畢竟當時沒有特高壓輸電技術,西電東輸缺乏技術基礎。誠然,很多核電站確實選址在海邊、河口、湖畔,確實有利于核電站取水,但這并非決定性因素。事實上,在內陸建設核電站完全可以使用冷卻塔,冷卻塔和全國內陸的火力發電站基本沒有太大區別,這是在技術上和經濟上都是比較成熟的方案。

      從全球來看,全世界一共有400多臺正在運行的核電機組,其中,內陸核電站核電機組數量超過200臺,占到大約一半左右。美國的內陸核占美國核電機組總總量比例超過60%;加拿大的內陸核電機組比例超過80%。必須指出的是,如果不統計中國修建的核電站的話,全球修建在內陸的核電站的比例還會更高。根據美國的法律法規,在核電站安全審查上,從不區分沿海核電站和內陸核電站。

      即便從事故后災害影響的角度看,沿海核電站和內陸核電站也沒啥區別。國際原子能機構(IAEA)在2015年發布了關于福島核電站一千兩百多頁的事故報告書,報告指出,在熔堆過程中,高揮發性核素如Cs-137、I-131、Xe-133、Te-132占總活度的99.9%以上。IAEA報告中還指出福島核事故大氣泄漏的Cs-137總活度與切爾諾貝利事故釋放的Cs-137總活度在一個數量級上。而且這些放射性物質會隨著氣流和降雨擴散到周邊地區以及全球。

      因此,沿海修建核電站會更安全,或發生事故后對環境影響小的觀點是站不住腳的。

      過去中國主要在沿海建造核電站,大多是基于經濟和社會因素考慮。在內陸建核電站并不意味著不安全。網絡上有杠精表示,內陸建核電站必須北京先建,但現實是北京還真就建了核電站,中國的實驗快堆就建在北京房山——這種實驗性質的第四代反應堆在安全性和技術成熟度上不如現在已經商業化運營的反應堆。

      隨著中國經濟的穩步發展和人民生活水平的不斷提升,中西部地區的經濟水平與東南沿海地區的差距也會越來越小,屆時,像湖南、湖北、江西、甘肅等內陸省份也會面臨缺電的難題,在火力發電環境污染較大,且遭遇今年煤價暴漲全國限電的情況下,綠色環保的核能必然成為最佳選擇。何況釷基熔鹽堆內部循環的是熔融鹽,而不是冷卻水,非常適合水資源相對匱乏的西北地區。

      總而言之,對于在中國在內陸省份建設核電站,大眾應當理性、客觀的去評判。

      結語

      行業人士告知,熔鹽堆雖然具有諸多優點,但技術難度很高,是優點和挑戰幾乎同樣巨大的一種堆型。在此,鐵流祝福甘肅的兩座熔鹽堆核電站早日突破技術難關,投入商業使用。




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