理论视野 2015年08月15日 23:03

如何破解能源危局:关于新型核能的两篇译文

如何破解能源危局:关于新型核能的两篇译文

编译者:子煕   校对:黑牛

 编者按

 

化石燃料推动着人类社会两百年来的突飞猛进,到今天就像一匹疲惫不堪的老马,在沉重的负担下沉重地喘息着,寻找它的替代品成了人类最为迫切的任务。科学家与工程师们提出了各种各样的解决方案,其中以所谓的“可再生能源”和核能最为引人瞩目。

比起可再生能源的华而不实,核能的发展显得稳扎稳打。从1942年的“芝加哥一号”到第四代核反应堆,核电在世界范围内占据的能源消费比已不小于16%,超过了所有可再生能源的总和。

核反应有核聚变与核裂变两种形式,但它们本质上都是将质量转化为能量。

核聚变是由轻原子(比如氢的同位素)结合成为较重原子的过程。可控核聚变的技术还很不成熟,用于维持反应过程所需要的能量往往大于反应放出的能量,所以尽管有惯性约束和磁约束等等很动听的方案,核聚变还有很漫长的路程要走。

核裂变是由重原子(比如钚或者铀)分裂成为较轻原子的过程。原子弹就是这个过程的极端情况,不过核裂变的控制技术已经颇为成熟,目前为止所有的核电站都是基于核裂变反应之上的。

但是核裂变反应堆也有很多的问题。首先是难以保障的安全性,三里岛核电站、切尔诺贝利核电站等不断的事故使得人们对于核能陷入了不安的恐慌,尽管这种恐慌不免带有盲目性,但也迫使工程师们正视反应堆的安全性问题。其次是核废料的处理问题,核废料的半衰期从长达数万年到十几万年不等,如何处理这些无用的垃圾成了让人头疼的问题(可以参考http://news.sohu.com/32/80/news144418032.shtml)。最后是昂贵的核燃料让核电的可持续性并不如人们认为的那样高,倘若不提高铀的利用率,全球铀储量大约只能供给人类数百年时间,那之后又该如何呢?

这里介绍的两篇有关熔盐反应堆的文章或许能够给出答案。

熔盐堆最早提出于1954年,属于第四代反应堆。根据2002年GIF(第四代核能系统国际论坛)会议给出的技术路线图,第四代反应堆大致可以分为六个类型,即气冷快堆、铅冷快堆、熔盐堆、钠冷快堆、超临界水冷堆、超高温气冷堆。熔盐堆由于出色的热效率和安全性受到了广泛关注,更重要的是它能够使用钍作为燃料。

新的核燃料的开发无疑具有重要的意义。全世界钍的分布十分广泛,粗略估计是铀的三倍以上,以现有的技术而言能够满足人类上千年的能源需求。另外钍的裂变产物半衰期只有几百年,与铀的裂变产物相比要短得多,危险性也小得多。钍基的熔盐堆因此而具有非同寻常的意义。

美国自从上世纪五六十年代开始就投入了熔盐堆的研究当中。这里选译的两篇文章:一篇来自美国橡树岭国家实验室主任,在文中他阐述了一些基本概念和熔盐堆的经济优势;另一篇是美国Flibe Energy公司的宣传文案,全面地比较了各种能源,并且主要论述了熔盐堆的原理和技术优势。另外,前文提及的GIF就是在美国能源部(DOE)发起的。

中国在这方面的研究并没有落后。可以参见:http://www.cas.cn/xw/cmsm/201012/t20101202_3035838.shtmlhttp://www.cas.cn/zt/kjzt/zjzgkxyjzx/alxdzx/201408/t20140806_4171139.shtmlhttp://www.cas.cn/yx/201505/t20150512_4353611.shtml

人类的发展并没有走入绝境,反而是进入了一个十字路口,有一点像《列子》中说的“歧路之中又有歧焉,吾不知所之,所以反也”。譬如太阳能虽然目前发展有限,但随着新材料的研发,发电效率未必不会大幅提高,到时谁又敢说太阳能不会成为主流能源呢?又譬如可控核聚变的发展,虽然有着不断的波折,但是新的理论不断出现,新的技术也在不断发展,科学界的那句俚语“距离核聚变的实现永远还有25年”不应该也不可能成为核聚变技术的墓志铭。

无论是哪一种能源将取代化石燃料,新的能源必将极大推动生产力的发展,进而导致极大的社会变革;同样地,社会变革同样能够促进生产力的发展,为新能源时代的到来奠定基石。并不需要什么充满希望的话,因为未来本身就是希望。

 

能源格局

(美国FlibeEnergy公司的简介:Flibe Energy是一家美国能源企业,成立于2011年4月6日。致力于研发、生产和运营基于液态氟化物反应堆的小型组件)

能源的生产和利用是文明社会赖以维持的关键。生命本身就是通过持续消耗能量来维持自身存在的。一千年来,人类一直在增加能源的用量以达到更高的生活标准,没有任何理由认为这种作法会发生改变。

因此,我们应当正视我们对于能源的需求,并且扪心自问:我们需要怎样的一种能源生产方式?这种态度并不意味着我们会浪费能源或不再提高能源的利用效率,而是表明我们应当寻求安全、便捷、有潜力的和环保的供能方式。

我们可以把能源分成两大类:一类是储存型能源,它们可以根据需求进行分配;另一类是捕获型能源,它们是由超出我们掌握的能量源释放的。后者可以是刮起的风,或是照射在地球表面的阳光,可以是顺着小河流动的水,或是涨落着、一天两次漫过河道的潮汐,也可以是从地球内部泄露出的由钍(Th)和铀(U)衰变而释放的能量。所有这些不断变化着的能源的共同点在于,我们对于他们的本源很难或是根本无法掌握,因此我们只是简单地接收一点、或是利用其中的一小部分。我们对于它们的利用无论成败都不会改变已有的能量平衡。无论一块土地是不是布满了太阳能板,阳光都不会因此而不再明亮;无论那个峡谷有没有风车在转动,风都不会停下它的脚步;地球内部的放射性元素始终在衰变、释放热能,而不会在乎我们是不是试图用它来加热水、产生蒸汽、推动涡轮。

由于这种能源看上去会由我们所不能控制的方式不断产生,因此我们将这种能源称为“可再生的”的,然而实际上热力学定律告诉我们,并没有一种能源是真正“可再生”的。所有能量的释放都意味着消耗了某种更为原始的能量,通常是太阳的能量,例外的是地热能与核能。令人欣慰的是,我们知道太阳还能够持续辐射能量百十亿年,地壳还会持续释放地热能百十亿年,月球也还会鼓动潮汐长达百亿年。因此我们或许应该把“可再生”能源称为“可持续”能源,因为能量的消耗速率相对于能量源本身的量级而言非常小,能够维持百亿年的时间。

另一方面,储存型能源能够以需要的功率释放和调整。这种能源的例子是水坝后面的水的势能,还有某些材料中以化学键形式保存的化学能。化学能可以来自近期存储的能量(如木柴),也可以来自千百万年前存储的能量(如煤炭)。1939年之前,人类都没有意识到诸如钍和铀那样的核原料中所具有的潜能,而那些能量是数十亿年前便存储其中的。如今我们意识到,核能或许是所有能源之中最具潜力和最有价值的。

核能被视为最重要能源有以下几条理由。首先,核能是储存型能源。它处在我们的控制之下,能够以我们希望的功率释放能量。对辐射能量而言,辐射源的功率是无法人为控制的,我们只能接收其中的一部分,核能并不是这样。第二,核能的能量存储密度是最大的。单位体积的核燃料(例如钍和铀)中储存的能量是单位体积的化学燃料一百多万倍,尽管这两种能量都是源于释放出的原子内的“结合能”。换而言之,核裂变所释放出的能量比燃烧碳水化合物所释放出的能量强烈百万倍。

化学能的释放是以化学反应的形式(例如燃烧、消化等)使原子层外电子重新排布的过程。电子与原子核结合时会释放出几个电子伏(eV)的能量。而另一方面,原子核的质子和中子结合时则会释放出数百万电子伏的能量。因此,以核聚变或核裂变的方式重新排布原子核时释放的能量会比化学能强烈数百万倍。

自然界中存在四种基础的核燃料:氘(D)、锂(Li)、钍和铀。氘和锂被用于核聚变反应,而钍和铀被用于裂变反应。氘是氢(H)的一种同位素,有氢的地方都能发现它的存在(例如水中)。锂是一种轻金属,能够在高海拔湖泊蒸发后的沉积物中找到。在传统的核聚变反应中,锂被转化为氚(氢的另一种同位素),然后与氘融合,从而释放出能量和一个中子。但这种融合本质上是非常困难的,因为带正电荷的粒子极端倾向于互相排斥,只有极高的温度、磁性的约束和复杂的工程技术才可以诱导它们融合在一起。尽管有着种种努力,也有着明确的目标,但物理学家们也只是在实验室环境下实现了这种反应,经济型核聚变距离还很遥远,甚至有些遥不可及。

至于钍或者铀的核裂变反应则相对简单,因为被用于诱发原子核的不稳定和分裂的中子。中子不带电荷,因此没有电磁力阻碍裂变过程,因而也就不需要磁约束或是真空室。核裂变会产生不稳定的富中子核素,经过β-衰变后它们才会变得稳定。

在实际操作过程中,天然铀的核裂变反应堆要求建有维持高能中子的结构(快中子谱堆)。因为除非用高能的中子轰击它,除非发生裂变的钚-239(铀-238吸收中子后的产物钚(Pu)在自然界中占据主导地位的同位素)无法产生足够的中子来维持核反应。

而天然钍的裂变反应更简单,因为钍吸收中子的产物铀-233可以在碰撞产生足够的中子,只需要减速了的热中子就可以维持反应的继续,这使得反应堆的设计可以节约很多。这个特点,再加上世界范围内丰富的钍储量,使得钍作为长期供能的核能燃料具有无可比拟的优势。

钍的储量比天然的铀(铀-235和铀-238)高出百余倍,比现有反应堆中使用的、更为稀有的铀-235的同位素的储量高出数百倍。钍在地壳中含量丰富,并且广泛分布于美国和世界各地。

为了确保绝对安全,核反应必须在经过慢化的热中子谱中进行,因为热核反应只允许在临界状态进行,在这种状态下任何对反应堆变量的扰动(无论是意外或是有意为之)都只会削弱核反应,而不是促进它。热中子反应堆也应该提供多种达成反应负温度系数的选项,这是衡量一个核反应堆安全性的最基本的标准。中子总会以某种方式被有意无意地改变而进入更为危险的状态,直接使用中子而不减少它们的初动能(这就是快中子能谱反应堆),可能导致反应堆因反应规模增加而危险地失控。基本上如果任何接近临界的快中子谱堆的中子经过慢化的话,它都会变为极端超临界的状态。

“燃烧”铀-238会产生可以裂变的钚的同位素(钚-239),这种在慢化的热中子谱中的“燃烧”是不完全的,不能产生足够的中子以维持反应的继续。相比之下,钍-232的“燃烧”的产物是铀-233,这个过程在热中子谱中高效进行着,能产生足够的中子而持续下去。因此,在强调高效的中子反应堆中,钍是一种更理想的燃料。

固体燃料堆中要达到高中子利用率是很困难的。核燃料始终在辐射有害的射线,所以必须维持在气态氙(Xe,那是一种有效的中子吸附剂)中,而固体燃料要在加工之前先转换为液流,在这样的环境中的加工是很困难的。

液体燃料堆可以不断除去(反应过程中产生的)氙气,同时在操作时调整燃料的浓度和裂变产物。更重要的是,它有着极大的固有负温度系数,这使得它在反应中更为安全,也容易控制得多。而且,为了防止意外发生,裂变产物的放射热可以通过将堆芯燃料注入被动冷却装置中而自然地散发出去。

基于液态氟化物的液体燃料堆不仅具有普通液体燃料堆的优点,它还在较大温度范围内具备化学稳定性,并且由于离子键的天然特性而能够免疫辐射伤害。它能够以四氟化物的形式充分溶解核燃料(钍、铀等),这种四氟化物(含有氟化锂-7与氟化铍)是中子的惰性载体。这使得它具有高温低压操作、不损害燃料、不会因燃料浓度问题和沉积问题发生危险等特点。

液态氟堆能高效利用中子,因为它不具有“内核”,也没有使用中子吸附剂,它不需要通过“可燃性中子毒物”来控制反应过程,因为反应规模可以不断调整。这种反应堆能以1.0的转化率利用钍,有着更强的可操作性、安全性和发展潜力。

当只是放出裂变产物时,液态氟堆会残余锕系元素,它们保持在背景辐射水平之上的衰变时间大约是300年左右,因而不需要长期(超过十万年)埋在地下。

液态氟堆只使用钍来运转,除了使用一点作为“启动资金”的纯铀-233之外,基本不会产生超铀核素。这是因为铀-233俘获中子后(这种情况出现的概率约为10%)会产生铀-234,铀-234进一步俘获中子后会产生铀-235,这是一种可裂变材料。铀-235在热中子谱中有85%的概率裂变,而最后产生铀-236。铀-236会进一步吸收中子产生镎-237(Np),而这种产物会从反应堆系统中清出。但镎-237是整个反应的终点,它的产生速率是极低的。

我们要建立成千上万的钍反应堆以取代煤炭、石油、天然气和作为核燃料的铀。倘若液态氟堆的建造和压水堆一样困难的话,那这就是不可能的了。但幸运的是,出于如下的几个原因液态氟堆要容易和小巧得多:这种堆运行在更高的功率密度上(这使得堆芯更小),不需要停机装填燃料(因而不需要复杂的装填设备),运行在常压之下而堆芯不需要压水(极大地减小了安全壳的体积),不需要固芯堆中复杂的紧急堆芯冷却系统和保险系统(因为能够自发冷却辐射热),同时发电系统也更加小巧和高效(因为自闭循环燃气涡轮可以同时改变初始循环压力和总压比)。简而言之,这种机组更加轻巧、更加简单、更加安全稳定(而且是安全多了)。

我们希望让你明白,发展使用钍作为燃料的液态氟堆是一个引人瞩目的、切实可行的目标,而且能够带来广泛的环境和社会效益。

为什么要发展熔盐增殖堆?

以轻水慢化转换反应堆为基础的核能具有非常广阔的商业前景。一旦我国全面依赖于这种产能方式后,原子能委员会将不得不担负起阻止核能成本过度上升的责任。所以曾作为长远目标的经济型增殖堆的发展如今已经成为了原子能事业的中心任务。而且随着我国愈发依赖核能,更多的赌注被压在了增殖堆技术的发展之上——增殖堆改进工作不允许失败。因此,任何可能成功的方案都应当被仔细地考虑。

成功的增殖堆有如下三个标准:其一,增殖堆必须具备技术可行性;其二,增殖堆的发电成本必须低廉;其三,增殖堆对燃料的循环利用必须足够高效,以其为基础的经济在全面负载时消耗的矿石成本不能过于昂贵。熔盐增殖堆不仅满足上述的标准,甚至在某些方面比其他反应堆系统更为出色。且由于其技术几乎与固体燃料快中子反应堆的技术相同,熔盐增殖堆另辟了一条通向廉价核能的蹊径,避免了在快中子增殖堆发展过程中可能出现的种种问题。

尽管看上去只是反应堆发展历史中的小插曲,但熔盐增殖堆实际上却代表着17年来研究发展的巅峰。自从冶金实验室(the Metallurgical Laboratory)建立之初起,发展液体燃料反应堆的动机就被强化了。1958年,最著名的液体燃料项目是液铋反应堆、水性均质反应堆和熔盐反应堆。AEC(美国能源控制公司)于1959年成立了一个特别小组对上述项目的原理进行了评估,他们得出的结论是:熔盐反应堆有着最高的技术可行性。

1959年特别小组的结论似乎为反应堆的实验操作所证实。对于密切关注这个项目的人来说,这种成功显得波澜不惊。熔盐系统的主要理论基础构建于明确的热力学现象之上,这种现象最初是由已故的ORNL(橡树岭国家实验室)顾问R.C. Briant 发现的。Briant指出,熔融的氟化物相对镍基结构材料的还原性作用具有热力学稳定性,在液态下可以通过离子化避免辐射的破坏,而且它们的蒸汽压很低、与空气接触时呈惰性,用它们构筑反应堆应当是安全的。在随后的几年间,ORNL在熔盐方向的实践证实了Briant的化学直觉。尽管还存在一些技术性问题(主要是关于石墨慢化剂的联接部分),熔盐增殖堆的成功似乎已经毋庸置疑。

我们估计,构建一个1000兆瓦电力(规模)的熔盐增殖堆每千瓦电力需要花费150美元,且燃料循环的花费大约在每度电0.03到0.04美分。私人运转这种反应堆时,发电的总费用大约是每度电2.6美分。相比快中子增殖堆而言,费用是极为低廉的,这是因为熔盐增殖堆的燃料循环可以产生可裂变的副产品(指通过出售而降低费用-译注)。跟具体地说,这是由于熔融的氟盐的化学加工工艺的进步,这种进步在试验工厂和实验室中都已经实现:氟化物挥发后覆盖了铀,通过真空蒸馏出去氟盐中的裂变产物,然后为了保证最高效率(尽管可能并不太有效)通过液液萃取吸收以祛除其中的镤。

运转在恒温的钍-铀233循环中的熔盐增殖堆具有增值率低的特点:在坚持燃料循环成本较低的情况下,最大的增值比预计为1.07。这种低增值比能够由熔盐增殖堆的低投料比来补偿。与快中子反应堆2.5至5千克/兆瓦电力(规模)的物料比相反的是,熔盐增殖堆的投料比在0.4至1千克/兆瓦电力(规模)。因此,熔盐增殖堆的燃料倍增期预计为8到50年,这可以和理论上快中子增殖堆的燃料倍增期相对比,后者约为7到30年。

从长期保护资源的角度来说,低的投料比是热核增殖堆的根本优点。假若核能的产量线性增长,倍增期和投料比在考虑原料量最大值时必须均衡地考虑,因为原料需要根据所有核电系统的库存需求来开采。因此,低的投料比对于增殖堆而言是一个主要的指标,下一章的详细比较将会证明低投料比的热核增殖堆虽然增值增益较低,但能比高投料比、高增殖增益的快中子反应堆更好地利用我们的核能资源。

熔融盐方式的增殖堆可以满足前述的三个标准,即技术上的可行性、非常低廉的发电成本和良好的燃料利用率。作为快中子反应堆的最有希望的竞争对手,我们相信它的发展是符合国家利益的。

本报告的其余部分旨在概述该技术的现状,并评估对于完备的熔融氟盐热核增殖堆还需要发展和实现哪些方面。

A.M. Weinberg

 

(本文作者阿尔文·温伯格,他是核能的先锋之一,也是“曼哈顿计划”的参与者,享有轻水反应堆的专利,并在1950至1970年间当任美国橡树岭国家实验室的主任。本文是他在1967年写在ORNL内部文献的开头,阐述了他关于发展熔盐反应堆的基本理念。

http://www.energyfromthorium.com/pdf/ORNL-TM-1851.pdf)

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