解析核能七十二变与未来能源发展
发布时间：2013-3-10 21:59
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2000年，柯克•索伦森（KirkSorensen）还是美国国家航空和宇宙航行局（NationalAeronauticsandSpaceAdministration）的一名工程师。当时，他在寻找为未来群居月球提供核动力的备选方法。他偶然看到了一本描述熔盐反应堆的书，书中谈到用液态核燃料作为能量来源。 这听起来有点不可思议，索伦森说道。据他所知，所有核反应堆都用固态铀做燃料，最初的“轻水”反应堆现在在核能行业是主流。然而，这本书解释说，田纳西州的美国橡树岭国家实验室（OakRidgeNationalLaboratory）已对熔盐反应堆进行三十多年的研究。而且，液态铀、即含钍燃料具有得天独厚的优势。例如，即使遭遇灾难性的核反应堆堆芯溶化，熔盐反应堆也不会受影响，不会产生带有钚及其他长期存在的放射性同位素的核废料，会将那些同位素完全破坏掉。 
过去的十年中，很多人在问这个问题，不仅仅就熔盐反应堆一事。由于战争安排，美国研究项目1976年放弃了那项特别技术的研究。不过，它仅仅是在核能商业化大潮中第一波就搁浅的众多替代技术之一。其他的技术还包括能够燃耗核废料的“快速”反应堆，以及大量减少温室气体排放的工业无碳供热高温反应堆。总体来看，这些替代技术可以弥补大部分、甚至是所有核能的缺陷。而数十年来，因为日程计划和融资水平都在不断变化，研究人员对这些技术的关注也时断时续。 现在，改变或许即将到来。过去十年中，一些国家对安全无碳能源的需求激发了政府对替代核能技术的兴趣，企业也在努力重启并推广一些核能设计。特别是在中国等发展迅猛的国家。乐观人士认为，即使去年发生了日本福岛第一核电站的灾难，也最终会推动人们选择更安全的核反应堆。去年，索伦森为促进熔盐反应堆商业化在阿拉巴马州亨茨维尔创立了福利波能源公司。无论是福利波能源这样处于起步阶段的公司，还是正在开发商用快速反应堆的通用电气-日立核能这种工业巨头，大小企业都希望准备就绪。 然而，复兴这些技术并非一日之功，不会一蹴而就。尽管基础设计几十年前就已完成，但要实际运行，工程师们还必须进行多种开发，如开发防辐射材料、更高效的换热器、改良的安全系统。然后，他们必须向监管机构证明，所有这些安全系统都能发挥作用。“核并非易事”，马萨诸塞州剑桥市“忧思科学家联盟”（UnionofConcernedScientists）的高级全球安全分析师埃德温•莱曼（EdwinLyman）表示，“它成本高，见效慢，风险极大，因为必须考虑安全因素”。 但相关人士都坚信：未来核工业最美好的前景就是回到过去。正如索伦森就取消熔盐项目指出的：“从来没人说过，‘我们可能错了，也许应该回到从前，重新审视那个决定。’”。 
轻水反应堆之所以占主导地位，并不是因为最好，而是最早。它最初开发是在20世纪40年代后期，当时要为核动力的船舶和潜艇提供紧凑型的发电设备。20世纪50年代，美国试图在原子能问题上扮演和平角色，于是创立了商业化的核能工业，轻水堆设计也由此得到改进和按比例增加。“轻水”是流过堆芯的普通水。它吸收了堆芯的热能，再传递给常规核蒸汽机轮，从而将热能转化为电能。 最后，这些反应堆组成一个更大的系统，补救了低效率的基本问题，因为如果只有单独一个反应堆，会很快自己产生毒物。随着连锁反应进行，铀原子裂变产生的碎片越积越多，为保证反应不断进行反应需要吸收的中子越来越多。也许18个月以后，燃料烧完了就必须移去反应堆，即使里面还有很多原始能量。 前美国能源部核能办公室负责人、美国核管理委员现任委员威廉•马格伍德说：“所以我们以前总想能有种回收二手燃料的基础设备，可以再次获得更多的燃料能量。”再处理工厂遍布世界。这些工厂回收用过的核燃料，再通过化学方式提取仍然可用的部分，多是铀-235，还有不可裂变元素铀-238吸收中子形成的可裂变元素钚-239，然后将它们变为新的反应燃料。最终，按计划会转变成新一代“增殖”反应堆，以使钚的产量最大化。唯一的废料是极少的强放射性裂变残留物，其中的放射性物质可能需要几个世纪才能衰变。处理时这些残留物将投入精心设计的混凝土贮仓。 马格伍德说，20世纪60年代到70年代早期，这种设想主导着美国的战略发展，当局不再将多数研究费用用于非增殖反应堆设计，比如熔盐反应堆。该方案运用广泛：目前全世界运营的437座核电反应堆里，有356座是轻水反应堆。但是后来，到了1974年5月，印度测试了一枚核弹，其中的铀元素就是从核反应堆燃料中提取而来。世界各国政府突然间被迫面对一个地缘政治方面的事实：大规模商业化核燃料回收将导致肆无忌惮的核武扩散。因为每家再处理工厂都会处理成吨的钚元素，足以制造核弹。制造一件核武器只需要4到6公斤的钚。审查机构又如何确定谁都没有改变这些钚的用途？ 所以，1977年4月，美国总统吉米•卡特禁止商用再处理。几年以后，新任美国总统罗纳德•里根废除了该禁令，但是回收成本非常高，所以从那时起，仅有两家法国的商用再处理工厂运营。大部分增殖反应堆的研究都停止了。因为没有了再回收，它们的存在就变得毫无意义。工程师们发现自己面临如何处理燃料废弃物这个棘手问题。由于铀-239的半衰期为2.41万年，现在他们要使上万吨二手核燃料离析，则需要几百个世纪。可是，还没人想到保证离析按时完成的方法。 与此同时，在20世纪70年代，对安全问题的抗议与日俱增。不管出于什么原因，只要流过轻水反应堆的水流受阻，热量就会困在堆芯。从技术上讲，即使关闭反应堆，核裂产物仍会在放射性衰变过程中产生热量，足以融化燃料，逃出反应堆。所有的轻水反应堆有紧急备用冷却系统，如果这种系统失灵了怎么办？1979年3月，这种担忧成为现实：宾夕法尼亚州哈里斯堡附近的三里岛核电站发生冷却剂意外事故，引发部分反应堆熔毁。2011年3月，日本福岛核电站发生核泄漏，反应堆堆芯全部熔化。这次事件也进一步证实了人们的忧虑。 二次机遇 三里岛事件后，由于公众和政治的强烈抗议，全球出现长达25年的‘核能管制’。电力公司废除了核扩展计划，取消了几乎所有的反应堆订单。业内探索新技术的意愿减少。加州大学（伯克利分校）的核能工程师派尔•彼得森表示，“他们规避风险，避开自己没有丰富经验的技术和材料”，他们知道这么做能获得监管部门的批准。 因为业内几乎没有兴趣，也没有部署的现实愿望，研究先进的反应堆就要克服指示与支持的负面影响。美国威斯康星大学麦迪逊分校的核能专家麦克•考拉蒂尼（MichaelCorradini）称：“如果总是大起大落，就很难规划和进行尖端工程研发。” 
大力投资 这次新观点带来的结果之一就是美国2010核电计划项目。美国能源部于2002年2月宣布政府产业的成本分摊方案，旨在帮助制造商研制和获取具有先进安全性能的轻水反应堆建造许可。这些性能包括，发生意外时能利用重力和自然对流确保冷却液流动。世界上有多个这样的反应堆正在筹划。其中美国就有四个在建，都是新一代反应堆。 更激进的设计可能在能源部对微型反应堆研发的成本分担项目中找到机会。这个项目今年已启动，目标是淘汰目前造价约100亿到150亿美元的上千兆瓦核电站，从而转建250兆瓦甚至更小的核电站，小到可以在工厂批量生产并运至指定地点。竞争这个项目的四个反应堆的供应商都拥有先进的轻水设计。11月20日，该项目得到以北卡罗莱纳州夏洛特市巴布科克和威尔科克斯公司为首的财团出资。 但是其他设计也会受益，彼得森称，“如果我们能使轻水小型模块反应堆有市场，”他说，“开发原型先进反应堆的市场就容易得多。”电力公司只要进入另一模块，就可以这项新技术进行实验。彼得森说，如果有效，锦上添花，如果没有，也不会损失太多，这降低了他们整个试验的风险阀值。” 
可选模组的首选是高温反应堆。这个名字恰如其分地透露了这种反应堆的工作方式：产生的蒸汽温度高达1000℃，比约300℃的轻水反应堆温度高得多。这需要完全不同的设计方案，比如，使用氦气而非水带走热量，并采用氧化物和铀的碳化物制成耐热燃料。 “如果要摆脱化石燃料，必须有个正式的核项目。” 这种反应堆不可能熔化。它的燃料温度稳定在1600℃，比堆芯高几百度，即使失去了所有能量和冷却剂，也是这种温度。高温会使反应堆更高效地发电。为工业生产过程提供热量时，碳排放可以大幅减少。在美国，大约23%的能源用于工业，如石油裂化和塑料制造。许多工业生产需要达到至少700℃的温度。目前往往通过燃烧天然气获得这样的温度，高温反应堆可以提供无碳的替代能源。 商业高温反应堆全球普遍开发不足。但是今年，石化公司和反应堆制造商组成的财团已经同意支持法国巴黎阿海珐（能源）公司的安斯塔瑞（Antares）高温反应堆设计。阿海珐公司部门负责人弗雷德•摩尔说：“接下来要为了达到核管理委员会的技术要求而进行设计，并努力获取许可，大约投入8亿美元。”摩尔的部门向密歇根州米德兰市陶氏化学公司提供电力和蒸汽。他估计，为安斯塔瑞设计和得到许可的过程需要5-7年时间。如果一切按计划进行，这种高温系统将在2020年-2030年开始动工，是要部署的首批先进反应堆之一。 快堆也不甘落后。它能解决高温堆无法解决的核废料问题，能消耗这类物质，将废物转化为能量，缓解废料处理问题。 刚从新裂开的原子核爆发出来的裂变中子很“快”，平均能量约200万电子伏特。在轻水堆中，与冷却水中的氢原子核碰撞后，中子的速度会变慢至一电子伏特，这就使得中子更容易引起又另一次裂变反应。但是，慢速的中子有个缺点：它不但不会分裂目标铀原子核，反而会被铀原子核吸收，使原子核变成钚、镎、镅、锔或其他重元素的长寿命同位素。这些元素集中起来就让二手燃料处理成为恶梦。相比之下，快中子鲜被吸收。它们不常与目标碰撞，而一旦碰撞，就会令目标分裂，几乎百发百中。因此，快中子不仅不会产生长寿命同位素，他们甚至能摧毁废燃料中的长寿命同位素。彼得逊说，建快堆是件棘手的事，尤其是因为快堆必须由液钠或其他不会像水致使中子减速的物质冷却。因此设计快堆是项大工程。他说，“而且，要给动力涡轮机提供蒸汽就得建立热交换器，这也很有挑战性”，因为钠遇水会发生剧烈反应，并生成爆炸性氢气。他说，研究者们正积极研究不会产生反应太激烈的冷却方案，比如铅和超临界二氧化碳。 然而，在约20个多年运转的快堆之中，许多快堆沿用的还都是20世纪70年代增殖反应堆的设计，当初建增殖反应堆是为了尽量增加钚的产量，不是要消耗它。至少有四家生产商在开发产生核废料的小型快堆。典型的例子是美国北卡罗莱纳州威明顿市的通用电气-日立工厂的“超大功率反应堆创新小模块”（S-PRISM）。它需要使用紧凑型纳冷却快堆，而且结合了一种回收装置。这种装置能带走反应堆用过的燃料，去除阻碍核反应的裂变产物，将更新的燃料送回反应堆。这种反应堆绝不会离析原子弹原料——钚。 通用电气-日立工厂高级反应堆开发负责人埃里克•洛温说，市场潜力巨大，“我们与英国合作，正进行可用性研究。我们会从再处理工厂取出100吨钚，把它变成一种能源。”洛温还说，在美国和其他地区，“我们的目标是形成高级回收中心网络”，每个地区都会有六个S-PRISM反应堆和一个回收中心。这个回收中心能满足处理一到三个轻水堆废物的需要，并能及时处理目前存储的积压废物。 洛温说道，这样的网络成本不低，但根本的挑战来自政界。福斯伯格和很多其他专家也表达了同样看法：需要“一种政策框架，它能令人将和废料当作财产，而不是垃圾。” 熔盐反应堆 固体反应堆燃料的一大优势在于其可预见的几何形状。而一大劣势是这种反应堆的复杂性。从中子轰击的强度、核分裂产物的分布到燃料晶体结构的辐射损伤，一切都不断变化。这一直让设计师头疼，因为要竭力确保反应堆能稳定运行，并试图说服调试者，即使是在最危机的时刻都不允许燃料的任何部分裂成临界质量。 但要到燃料变成液体时，所有的问题才能迎刃而解，这也是美国早在20世纪60年代在橡树岭开发熔盐反应堆的主要原因。作为核燃料，“熔盐”通常是指四氟化铀。在操作温度下的液体状态会与氟锂铍混合，成为氟化锂和氟化铍的混合物四氟化铀。它起到冷却剂的作用。“就像一口锅---体积巨大，没发出声音的大锅”，福斯贝里说。“你将燃料扔进去，混合到一起，但所有成分却根本不会发生变化。” 索伦森说，液体燃料还有一大优势，“燃料没有彻底消耗完就不必从反应器中移除。”相反，这种燃料会通过一个外部回收装置循环利用，持续提取核裂变产物，保证燃料安然无恙。索伦森称，设计师还想出一种很妙的方法保证其安全性，在该反应器底部留有一孔洞，可插入一块固体燃料，通过制冷单元来保持它的固体状态。如果反应器在紧急情况下断电，制冷程序会马上停止。插入部分将会熔化，燃料会安全地流入地下储存罐。最后，熔盐设计可以适用于多种燃料，从传统的铀到原始核废料或钍都能应用。钍的储量大概比铀多三倍。 对于这一切而言，沉寂四十年后复苏熔盐反应堆是一项艰巨的任务。索伦森说：“我们必须重建一个基本上已完全消失的知识库。”他创立了Flibe能源公司。目前，该公司正在开发一个40兆瓦的反应器，或许会用在军事基地，让这些基地能独立于电网运行。 2011年9月，福斯贝、彼得森、麻省理工学院的胡林文和威斯康星大学麦迪逊分校的核工程师托德•阿伦参与了一个为期三年的美国能源部资助核研究项目，做项目的负责人。这个项目在通往熔盐反应堆的道路上又向前迈进了一步：氟化铍（FliBe）冷却式高温反应堆。彼得森说：“没人建过盐冷却式固体燃料反应堆。”倘若这个项目开始运作，反应堆的堆芯会比其他设计小4至5倍。由于盐的良好稳定性，这个反应堆的温度总是比破坏极限的温度低几百度。 彼得森说，尽管“估计会消耗大量的资源”，未来十年内公司还是会一座建用于测试的反应堆。这是个大胆的设想。由于金融危机，所有先进的核反应堆此后的融资都困难得多。此外，科拉迪尼指出，美国突然发现丰富的页岩气，他认为，“在美国，化石燃料廉价已经使一些清洁能源工程建设不断推迟，不仅限于核能项目”。 华盛顿核能研究所政策发展贸易组织总监保罗•吉尼亚也很有远见。他说，“开头我们先做了轻水反应堆”，接下来，二十一世纪二十年代会出现更安全的先进轻水反应堆，紧接着就是进一步减少碳排放的高温反应堆，“然后我们就建个快堆来消耗掉这些核废料。” 吉尼亚认为，熔盐反应堆还有很多未知因素，但值得开发。有些甚至变数更大的项目正在研究。其中值得一提的是加速驱动反应堆，它通过使高能粒子加速器的中子推动裂变反应，可用钍元素做燃料，且关掉加速器便可立即关闭反应堆。 但是，核能真的会进一步发展吗？事实上，业内人士看到了乐观的理由。特别是他们认为，如果气候变化造成越来越明显的后果，就会迫使政府设定碳价格。吉尼亚说，即使是福岛那场核灾难，也可能刺激新的核能技术发展，“但也确实给人们带来了恐慌，而且对核能的安全性更加担忧”。吉尼亚还说，可是，因为人们看得更清楚，“他们就会说，喂，这些都是建了30年的老工厂”，那时候，智能化的新型核工厂看来吸引力会大得多。（译言网） |
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