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钍基熔盐堆试运行,内陆建核电站在望?

2021-12-07 09:48:30 科工力量   作者: 铁流  

前言

不久前,甘肃武威钍基熔盐堆进行了试运行。钍基熔盐堆成功摆脱了之前铀和钚元素为燃料的核能发电模式,改用以放射性极低的钍元素为核燃料,在核能发电领域具有划时代意义。相对于项目奠基时“道士做法保平安”的闹剧,之后的建设和装机,以及本次顺利试运行均体现出我国在核电领域深厚的技术实力。一旦钍基熔盐堆核能系统技术成熟投入使用,对于我国核电产业的进步和能源安全都有积极作用。

01、钍基熔盐堆优点多中国钍储量丰富

第四代核能系统国际论坛(GIF)共推荐了6种先进核能系统:钠冷快堆(SFR)、超高温气冷堆(VHTR)、超临界水堆(SCWR)、气冷快堆(GFR)、铅冷快堆(LFR)和熔盐堆(MSR),作为四代核电的候选堆型。

钍基熔盐堆是6种第四代反应堆之一,在固有安全性、经济性、核资源可持续发展等方面具有优势。熔盐堆的起源源于军事需要,半个多世纪前,美国空军启动Aircraft Nuclear Propulsion,为轰炸机寻求航空核动力,美国橡树岭国家实验室承担了Aircraft Nuclear Propulsion中核能引擎反应堆的研发任务,于1954年建成第1个用于军用空间核动力研究的2.5MW熔盐堆。

在上世纪60年代,美国橡树岭国家实验室成功运行了8MW熔盐实验堆3000小时,证明了熔盐堆的可行性。不过,由于战略导弹的异军突起,使核动力轰炸机变为鸡肋,熔盐堆也随之转向民用。然而,冷战时期美国政府更加青睐适合生产武器用钚、具有军民两用前景的钠冷快堆,放弃了更适合钍铀燃料循环、侧重于民用的熔盐堆。

在上世纪70年代,苏联也开始研究熔盐堆。不过,受切尔诺贝利核事故与苏联解体的影响,相关研究近乎停滞。在70年代,清华大学也曾经研究过熔盐堆,不过受资金限制,主要侧重于前期技术预研,并未建设实验堆。1971年,上海“728工程”建成了零功率冷态熔盐堆并达到临界,但限于当时的科技、工业和经济水平,后转为建设轻水反应堆。

虽然中美苏都曾经放弃熔盐堆,但这并非熔盐堆本身存在致命技术缺陷,更多的只是时运不济,熔盐堆技术是非常先进的,潜力也是非常巨大的。
首先,熔盐堆具有较高的安全性。液体熔盐堆采用高温熔盐作核燃料,燃料已经融在了液体中,它们的工作压力比常规核反应堆更低,降低了爆炸性熔毁的风险。同时,熔盐兼作载热剂,不需专门制作燃料组件,因而杜绝了堆芯融化事故发生的可能。加上熔盐的低蒸气压减少了破口事故的发生,即便发生破口事故,熔盐在环境温度下也会迅速凝固,能够防止事故进一步扩展。

其次,熔盐堆可有效利用核资源和防止核扩散。由于钍基熔盐堆所使用的钍很难用于核武器制造,因而推广钍基熔盐堆能大幅降低核扩散的风险。因此,一些科学家支持将钍作为燃料,因为与铀相比,钍的废料被武器化的可能性更小。

再次,钍基熔盐堆的热功率密度和发电效率高。钍基熔盐堆的堆芯结构较为简单,因而可以设计成具有较高功率输出的小型反应堆。钍基熔盐堆发电效率高达45%—50%,麻省理工学院的核工程师CharlesForsberg说,与常规核电站中的轻水反应堆相比,熔盐反应堆的运行温度要高得多,意味着它们的发电效率更高。

最后,钍的储量非常丰富。地球地层中钍的储量较高,如萤石矿中就含有钍,储量远高于铀和钚等元素。钍矿来源丰富,世界各国已探明储量达几百万吨,我国20多个省和地区都已发现具有相当数量的钍资源,探明储量位居世界前三,2005年中国科学院的资料显示,仅内蒙古白云鄂博矿区钍储量约为22万吨。

诺贝尔物理学奖获得者,卡罗·卢比亚曾表示,如果用它(钍)来发电,按照目前的电能消耗来算,中国钍的储量能够保证未来许多个世纪的发电供应,大致可以使用两万年。必须指出的是,中国的铀矿储备虽然并不出众,但在钍的储量非常丰富,一旦钍基熔盐堆大规模投入商业运营,中国基本不必为核燃料来源担忧。

正是因为钍基熔盐堆有上述优点,以及中国钍储量丰富,早些年,中国科学院启动了“未来先进核裂变能”战略性先导科技专项,钍基熔盐堆核能系统作为其两大部署内容之一,计划用20年左右的时间,致力于研发第四代先进裂变反应堆核能系统,实现核燃料多元化、防止核扩散和核废料最小化等战略目标。本次甘肃的钍基熔盐堆试运行,则是我国在钍基熔盐堆方面取得的阶段性成果。

02、不必对核电站修建在内陆畏之如虎

受切尔诺贝利核事故和福岛核事故的影响,核电的安全性一直备受争议,不少人甚至“谈核色变”,对于在我国腹地修建核电站的争议始终未平息。根据官媒报道,我国计划在甘肃省建立两座钍基熔盐堆核电站,本次武威的核电站只是其中一座。此前,江西彭泽核电站、湖北咸宁核电站、湖南桃花江核电站在等待批复时就遭到非议,认为内陆不适合建核电站。

其实,核电站修在内陆还是海边对安全性影响不大。过去,中国过去主要将核电站修建在海边,并非纯粹因为技术原因,而是综合经济等因素考虑的结果。经济方面,由于中国东南沿海地区人口稠密,经济比较发达,对电力的需求相对较高。如果将核电站建设在中西部地区,远程输电将会造成较大的电能损耗,非常不经济,毕竟当时没有特高压输电技术,西电东输缺乏技术基础。诚然,很多核电站确实选址在海边、河口、湖畔,确实有利于核电站取水,但这并非决定性因素。事实上,在内陆建设核电站完全可以使用冷却塔,冷却塔和全国内陆的火力发电站基本没有太大区别,这是在技术上和经济上都是比较成熟的方案。

从全球来看,全世界一共有400多台正在运行的核电机组,其中,内陆核电站核电机组数量超过200台,占到大约一半左右。美国的内陆核占美国核电机组总总量比例超过60%;加拿大的内陆核电机组比例超过80%。必须指出的是,如果不统计中国修建的核电站的话,全球修建在内陆的核电站的比例还会更高。根据美国的法律法规,在核电站安全审查上,从不区分沿海核电站和内陆核电站。

即便从事故后灾害影响的角度看,沿海核电站和内陆核电站也没啥区别。国际原子能机构(IAEA)在2015年发布了关于福岛核电站一千两百多页的事故报告书,报告指出,在熔堆过程中,高挥发性核素如Cs-137、I-131、Xe-133、Te-132占总活度的99.9%以上。IAEA报告中还指出福岛核事故大气泄漏的Cs-137总活度与切尔诺贝利事故释放的Cs-137总活度在一个数量级上。而且这些放射性物质会随着气流和降雨扩散到周边地区以及全球。

因此,沿海修建核电站会更安全,或发生事故后对环境影响小的观点是站不住脚的。

过去中国主要在沿海建造核电站,大多是基于经济和社会因素考虑。在内陆建核电站并不意味着不安全。网络上有杠精表示,内陆建核电站必须北京先建,但现实是北京还真就建了核电站,中国的实验快堆就建在北京房山——这种实验性质的第四代反应堆在安全性和技术成熟度上不如现在已经商业化运营的反应堆。

随着中国经济的稳步发展和人民生活水平的不断提升,中西部地区的经济水平与东南沿海地区的差距也会越来越小,届时,像湖南、湖北、江西、甘肃等内陆省份也会面临缺电的难题,在火力发电环境污染较大,且遭遇今年煤价暴涨全国限电的情况下,绿色环保的核能必然成为最佳选择。何况钍基熔盐堆内部循环的是熔融盐,而不是冷却水,非常适合水资源相对匮乏的西北地区。

总而言之,对于在中国在内陆省份建设核电站,大众应当理性、客观的去评判。

结语

行业人士告知,熔盐堆虽然具有诸多优点,但技术难度很高,是优点和挑战几乎同样巨大的一种堆型。在此,铁流祝福甘肃的两座熔盐堆核电站早日突破技术难关,投入商业使用。




责任编辑: 江晓蓓

标签: 内陆建核电站 钍基熔盐堆

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