未来核裂变能的钍基熔盐堆核能系统项目启动,技术与文化一个不能少

科学家详解核安全:技术与文化一个不能少

钍基熔盐堆,这个听起来让人如坠云中的专业名词,可能在三四十年后,成为我国能源供应的一大支柱。

本报讯“历史上的几次核事故至今仍在警醒我们,在核安全方面谁都不能独善其身。”在近日召开的第二十届太平洋地区核能大会上,中广核集团副总经理张炜清在发言中如此表示。核安全,已被视为“后福岛时代”核能可持续发展的基石。科学家们呼吁,确保核安全既要依靠技术,也要进一步增强公众对核安全的正确认知,培育核安全文化。

不久前,作为中国科学院首批启动的战略性先导科技专项之一,“未来先进核裂变能——钍基熔盐堆核能系统”项目正式启动。其科学目标是用20年左右时间,研发出新一代核能系统,所有技术均达到中试水平并拥有全部知识产权。

而此前在刚刚闭幕的第四次核安全峰会上,国家主席习近平提出了四项中国“核主张”:强化政治投入、强化国家责任、强化国际合作打造核安全命运共同体以及强化核安全文化。

几十年后,核电站也许将能够遍布我国领土,甚至就在大城市的四周——说不定,自家小区不远的地下就有一个核电站。它会对我们的生活产生什么样的影响?它安全吗?该项目负责人、中科院上海应用物理研究所徐洪杰研究员,对这个未来的核电站进行了一番初探。

中科院核能安全技术研究所所长吴宜灿告诉《中国科学报》记者,核材料中高浓缩铀和钚一旦被用于制造核武器或放射性脏弹等非和平用途,就存在“核扩散”问题。

40年,将翻20倍

3月22日,多名恐怖分子在比利时布鲁塞尔发动了连环爆炸。几天后,据媒体报道,此次恐怖袭击中,核电站等主要基础设施或为袭击对象。

化石能源即将枯竭,太阳能、风能不够稳定,水能开发已过极限……中国未来的能源支柱何在?

吴宜灿指出:“恐怖分子对于核电站等核设施存在人为破坏的可能性,核设施和放射源很可能会成为恐怖分子袭击的首选目标。”

核能,似乎是一个靠谱的选择:能量密度高、低碳排放、潜在的可持续发展。

目前,成熟的核能技术都基于铀钚燃料循环,而钚是生产核武器的理想材料。中国科学家从设计先进的反应堆和实用新型核燃料的源头开始,积极探索防止将钚用于非法生产核武器的技术手段。

“2005年,我国GDP总和为18.23万亿元,一次能源总耗量为22.3亿吨标准煤。如今,我国已成为温室气体排放的大国,再过三四十年,我国GDP总量可能达到117万亿元,相应能源需求将增加多少?”徐洪杰说,发展需要更多能源,同时温室气体排放不仅不能增加,还要减少,真好比“又要马儿跑,又要马儿不吃草”,但核能可以做到。以现有的核电技术而言,1千克铀所放出的热量为196亿千卡,而1千克标准煤只能放出7000千卡热量。

2011年,中国科学院启动了“钍基熔盐核能系统”战略性先导科技专项。该专项负责人、中科院上海应用物理研究所研究员徐洪杰向《中国科学报》记者介绍,TMSR采用了基于钍铀燃料循环体系,即将钍233转化成可裂变的铀233燃料。

因此,在全球气候变化的节骨眼上,节能减排、低碳经济正促使核能在全球复兴。据国际能源机构预测,至2050年,全球核电装机容量将达到1200-1700GWe。目前,我国核电仅占总能耗不足2%,根据国家发改委发布的核电中长期发展规划,到2020年我国核电运行装机容量将达到40GWe,2050年则可能提高到260GWe及以上。

“获取钚可以采用化学分离方法,获取铀233则必须采用同位素分离方法,后者对经济和技术要求非常高。即便是同位素分离的高浓度铀233中还是含有一定比例的,具有高能伽马放射性的铀232。高能伽马射线大幅度增加了操作、制造、保存和转移这些核燃料的难度。合法尚且不易,非法就更加困难。”徐洪杰表示,“高能强伽马射线也更容易被国际组织核查监督,非法获取核燃料的风险大大提高。所以钍铀核燃料被公认具有防止核扩散的特点。”

这意味着,未来40年,我国的核能应用将翻20倍!

今年3月,中国原子能科学研究院的研究人员完成了对高浓铀核燃料的设施进行低铀化改造,旨在最大限度减少高浓铀的使用。最近,中科院核安全技术研究所则在铅基反应堆方面完成了关键技术预研,已具备工程实施能力。

造好炉子,把“煤”烧净

在中国科学院TMSR先导专项总体部的多名科学家看来,核安全文化的实质是“以人为本”,“强化核安全文化,营造共建共享氛围”是我国乃至全球发展核能产业的必要条件。

众所周知,现在的核能系统——热中子反应堆以铀-235为燃料,然而铀-235在自然界中的含量非常小。按照目前估计的裂变核能发展趋势,地球上的陆基铀-235的储量将与化石能源同时枯竭。那可怎么办?“我们需要一个更好的炉子,可以烧更多的核燃料。”徐洪杰说,这就是人类为何要研发新的核能系统。

与核技术发展取得长足发展相比,我国的核安全政策和文化显得有些滞后。

他打了一个比方,上世纪四五十年代,很多孩子会沿铁路捡煤渣,因为那时候锅炉燃烧技术不够好,煤烧不尽,捡回家还能生炉子。“目前最常用的核反应堆,就好比是一个不够完善的炉子,只烧了很少一部分最优质的燃料,而留下了大量的‘煤渣’。”徐洪杰所担纲的这个项目,就是要造一个新的炉子,不仅可以让现在的核废料焕发“第二春”,还能使用潜在的核资源钍-232。我国是钍资源大国,若能将钍用于核能,可保我国能源供应千年无忧。

吴宜灿指出,践行“理性、协调、并进”的核安全观,不仅要研发革新型核能系统,还要加快推进相关法律、法规、标准体系的建设,也要同时做好公众风险认知和风险沟通工作。

中国选择了熔盐堆作为突破方向。“熔盐堆使用熔融状态的氟化盐携带着核燃料——有点类似地壳里的岩浆,在‘炉子’中燃烧,不断输出巨大的能量。”徐洪杰说,作为国际第四代反应堆核能系统研究的六种候选堆型中唯一的液态燃料堆,它具有结构简单、可以在常压下运行、燃料“杂食性”强等优点。“新炉子”可以做得非常小巧,封入一定的核燃料就能稳定运行几十年,而经过充分燃烧,理论上其产生的核废料将仅为现有技术的千分之一。

据悉,保证公众参与核电站规划和审批被写进我国即将出台的《核安全法》。在科学家们看来,这一举措将直接影响我国未来核能发展。

由于全球新一代核反应堆尚处于研发中,因此我国自主研发钍基熔盐堆,将可能获得全部自主知识产权。这将使中国把能源的命脉紧紧把握在自己手中。

吴宜灿认为,独立于核工业界的、专业化的智库作为“第三方”机构,可以承担与公众沟通的任务。“作为国家科学思想库的中科院科学家们应该扮演重要角色。”他说。

让“核”不再咄咄逼人

《中国科学报》 (2016-04-14 第1版 要闻)

过去,人们总是谈“核”色变。但新一代核能将带着绿色、和平的印记,带人类走入新纪元。

传统反应堆所产生的核废料中,有大量易于生产核武器的核燃料钚-239,这使得核能的和平利用有了核武器扩散的风险。而“新炉子”燃烧钍-232产生核燃料铀-233的同时还伴生杂质铀-232,这使得钍-铀核燃料被国际公认为不适合发展核武器。

此外,“新炉子”在常压下运行,而非如传统反应堆在高压下工作,操作简单安全。“当炉内温度超过预定值时,设在底部的冷冻塞会自动熔化,携带核燃料的熔盐全部流入应急储存罐,核反应即终止。”徐洪杰告诉记者,由于冷却剂是氟化盐,冷却后就变成了固态盐,这使得核燃料既不容易泄露,也不会与地下水发生作用而造成生态灾害。同时也使新一代反应堆的选址更加自由:它可建于几十米深的地下,既可完全隔绝射线,又可防止敌人的武器攻击;它既可建于大城市中,也可工作于荒郊野外,为偏远山村送去恒久的电力……

前景虽然美妙,但科学家还有很多难题需要攻克。从世界上第一座反应堆试验成功,到核电站的商业推广,经历了近20年的时间;而到目前主流核电站技术的成熟,又经过了20多年的发展。“新一代反应堆真正实现推广使用,可能还需要20-30年的时间。”

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