“清潔”的核電反應堆!中、印對其研究約為30年,誰會先搞定?

這幾年,中國已經受夠了被各種能源專案“卡脖子”,開始積極尋求核電技術的突破。

現在,我們取得了成果。中國在甘肅省成功建立了世界首座釷燃料核反應堆,以“清潔能源”著稱的它已經開始測試,預計將在2040年實現全國商用。

“清潔”的核電反應堆!中、印對其研究約為30年,誰會先搞定?

除此之外,印度也在去年宣佈,2025年印度會實現全球第一個商用釷反應堆,2050年將讓這種新反應堆的核電發電量,達到全國總量的30%。

一個是2040年,一個是2025年,印度這下就相當於宣佈自己的新核電技術在世界上領跑,並超越了中國15年,到底是有理有據,還是慣性吹牛?在這項世界前沿技術上,能先取得成就的真的會是印度嗎?

釷反應堆是什麼?

從1954年第一座核電站建成之後,世界上已經發生了100多起核事故,切爾諾貝利和福島核電站的慘劇歷歷在目,給世界上所有人留下難以跨越的陰影。這幾年中國要發展核電,依然有相當多的民眾對此表示排斥。

“清潔”的核電反應堆!中、印對其研究約為30年,誰會先搞定?

這種恐懼的核心在於當今核電的燃料——鈾。其中的鈾-235和鈾-233具有很高的放射性和毒性,使用它們作為核燃料,不管再怎麼強調操作的安全性,終究是一個可能爆發的隱患。

於是,全球一直在尋求能夠替代鈾的“清潔”核燃料。這看似不搭邊的兩個事物,還真被人類給找到了,它就是釷。釷是一種具有微弱放射性的錒系金屬,作為核燃料的它,具備很多特有優勢:

一、安全係數高。

釷最穩定的同位素釷-232,半衰期長達140億年,放射性大大低於鈾,衰變時釋放的α射線甚至無法穿透人類面板的表層。

而且,液態氟化釷反應堆的技術也更安全,它的執行環境是常壓高溫,不會出現像福島核電站那樣發生氫氣爆炸事故。同時,它也不會出現高溫燒燬的情況,釷反應堆底部的冷凍塞會自動檢測溫度,超過一定限制就自動融化,讓釷燃料熔鹽全部流入應急儲存罐中,緊急停止反應。冷卻劑氟化鹽雖然有毒,但是遇冷就會凝固,不存在洩露的危險。

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釷反應堆

二、熱轉換效率高。

鈾在進入反應堆之前需要經過高濃縮,但釷是可以直接利用的核燃料。不僅如此,液態釷燃料流進堆芯之後發生裂變反應,產生的熱能能被自身吸收,流出堆芯後再次重返臨界狀態,能夠實現迴圈利用。

1噸釷產生的效率能抵得上200噸鈾,相當於約350萬噸煤炭。用諾貝爾物理學獎獲得者的卡洛·盧比亞的話來說:一塊拳頭大小的釷金屬,能為倫敦供電一星期。

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熱轉換和迴圈過程

三、釷基熔鹽堆的“副業”——制氫和清潔甲醇生產。

釷基熔鹽堆不僅僅能發電,還能利用它進行清潔化工生產,其中又以高溫制氫和清潔制甲醇為主。

釷基熔鹽堆能提供大量的廉價電力和工業熱能,能夠透過高溫電解水蒸氣製造氫氣,大大降低了現有制氫技術的成本,可以一定程度緩解中國燃氣緊缺的現狀。

而有了以上氫氣的供應,就可以同時用清潔的二氧化碳加氫製造甲醇。不僅可以將二氧化碳變廢有用,比起現有的制甲醇法還更加環保。

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高溫制氫

四、資源豐富。

如果按照國際通用演算法,未來核電規模會增長到現在的數倍,可用的鈾-235礦將在40年內用盡,剩下的絕大多數是無法利用的鈾-238。

但是,世界上釷的儲存量卻是鈾的4倍,和鉛差不多普遍,而且礦藏中大部分是可用的釷-232,預計可以供應人類數千年的電力。

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釷金屬

中國和印度,誰的優勢更大?

現在,中國憑藉著甘肅的釷燃料反應測試堆成功走在了世界的前列,但同時不可忽視的還有一個國家——印度。

印度或許是世界上最熱衷於釷燃料發電的國家,他們的處境和中國些類似,都是“貧鈾”國家,如果要和那些已經興起了鈾燃料核電的國家,比如日本,來比拼,註定是佔不到什麼優勢的。

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印度民眾對核能的支援

而且印度比起中國的電力還要貧乏,中國至少還有豐富的煤炭資源可用,但印度的燃煤質量卻非常差,這讓他們對於核電新能源的需求比中國更迫切。

印度雖然貧鈾,但卻是一個富釷國家,釷礦的儲量能夠達到30萬到85萬噸,是全球蘊藏量的約1/4,他們利用這個優勢,從上世紀90年代初,就開始不斷設計加壓重水反應堆(PHWR)。近幾年,他們國產的PHWR已經可以實現單個核容量達到 700MW,其研究時間達到了30年以上,和中國差不多,因此印度人說話也算有底氣。

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印度重資建造的重水反應堆,位於印度南部卡納塔卡邦境內的凱加核電廠

但他們的核電技術其實並非真正的第四代清潔核能,而是採用釷作為“增值性材料”,讓釷-232吸收中子變為鈾-233,原理的新舊很難界定,所以印度至今也不敢自稱跨入了第四代核能技術。

相比之下,中國發展的釷基熔鹽堆(TMSR)則是真正的第四代技術,而且是六種堆型中最主要的反應堆技術。這種技術的基礎原理是利用釷-232的增值產生釷-233,利用“雙流閉環連續執行系統”來實現原料的迴圈利用。

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除此之外,從這種釷反應堆中產生的錒系元素廢料,壽命遠遠小於鈾反應堆所產生的,危害從幾萬年降到了幾百年。

而且,中國也有著不輸給印度的釷儲量,我國目前已經探明的釷礦在30萬噸以上,光是白雲鄂博礦區的釷礦就可以支撐中國的能源需求上千年。

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白雲鄂博礦區

中科院也看中了這些豐富的儲量,在2018年定址甘肅,並組建了超過700人的研究團隊,旨在讓這第一個反應堆成為“能夠開展大量研究的試驗平臺”,不僅是為中國所用,同樣是為世界所用。

有很多外國科學家表示,他們將從這裡獲得很多新的科學認知,並且對成功抱有很高的希望。國際的態度,和中國的嚴謹也是分不開的。不僅是熔鹽反應堆,中國對6種有前景的反應堆技術都制定了計劃,包括用鉛、用鈉冷卻的堆型,最後才敲定這種核廢料清潔的核反應堆。

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中科院上海應用物理所的設計規劃圖

釷反應堆的優越已經顯而易見,可是為什麼現在才被重視起來?其實釷早在上世紀60年代就被美國研究過了,但那時卻沒能把它發展下去。

當時美國正在和蘇聯進行冷戰,兩國都卯著勁想要增強自己的武器儲備,美國明面上是發展核電,其實私心是想利用核電的廢料——鈽-239製造核武器。而釷燃料過於“無害”,裂變迴圈產生的副產品是鏷-233,不符合美國的預期,因此這個偏向民用的計劃很快只能被迫下馬。

“清潔”的核電反應堆!中、印對其研究約為30年,誰會先搞定?

幾十年後,人類捨棄了戰爭的私心,重新考慮起這種相對清潔的核能源,才發現它的優越所在。不過,鈾核電發展了那麼多年,現在突然要轉到釷的方向,國際上是非常缺少相關產業鏈的。

一座核電反應堆不只是它本身,更代表了一套完整的核工業系統。就拿釷基熔鹽堆技術來說,它燃燒過後,會產生名叫二氧化釷的廢料,這種廢料的化學性質穩定,所以需要在廢料中引入少量的硝酸和氟化氫讓它溶解,這樣必定會加劇廢料的腐蝕性,需要尋找新的材料來盛裝。

不止是燃料儲存問題,燃料的材質、反應堆的結構、熱力穩定性、如何換料等等都是全新的課題,沒有任何國際經驗可供參考。

“清潔”的核電反應堆!中、印對其研究約為30年,誰會先搞定?

因此,我國和印度還都在摸索的路上,誰能先突破這些瓶頸,誰就能走在世界前沿,作為第一個將釷反應堆商用的國家,極大改變世界的能源局勢。

在此,我先給中國押上一票,畢竟大話誰都會說,拿出實績才是硬道理!

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