科学时报:核电前沿技术迷局

2010-11-19 08:48 来源: 科学时报
收藏到BLOG

  1942年12月2日,美国芝加哥大学足球场西看台下的一个室内网球场里,费米领导他的团队成功完成了第一座原子核反应堆的首次自持链式反应实验。此时的他,可能并没有想到,人类会由此出发,在探索利用核能技术提供日常能源的道路上走得那么远。

  1954年,苏联建成电功率为5000千瓦的实验性核电站;1957年,美国建成电功率为9万千瓦的希平港原型核电站,开启了第一代核电站开发与建设的序幕。

  经过几十年的发展,核电技术已由第一代走到第四代。不仅如此,围绕着核燃料的稳定供应、核废料的安全处置等问题,新的技术方向也在不断涌现。与此同时,核聚变发电也正在由梦想变为现实。在由林林总总、神秘难解的核电前沿技术构成的迷局中,风到底在往哪个方向吹呢?

从第一代到第四代:问题在不断变化

  当《科学时报》记者在徐銤的办公室里见到他的时候,这位中国试验快堆工程指挥部的总工程师刚从日本回来。他此次赴日,是参加由日本主办的以快堆为主题的国际顾问会议,目前正在发展快堆的法国、印度、韩国等六个国家的代表悉数到场。快堆建设的火热程度由此可见一斑。

  作为世界上第四代先进核能系统的首选堆型,快堆代表了第四代核电技术的发展方向。第四代核电技术包括6种堆型,分别是钠冷快堆、铅冷快堆、气冷快堆、超临界水堆、熔盐堆和超高温堆,其中快堆就占了3种。由徐銤所在的中国原子能科学研究院自主研发的中国第一座快中子反应堆——中国实验快堆属于钠冷快堆,而钠冷快堆是所有堆型中的“种子选手”,已建过18座,其余的堆型尚停留在技术研发阶段。

  从第一代到第四代,推动核电技术不断向前发展的动力主要源自哪里?徐銤告诉记者:“对核电技术来讲,安全是最重要的。”

  我国从上世纪70年代发展第一代核电技术伊始,就十分注重安全性问题。鉴于原子弹爆炸所产生的巨大破坏力,人们担心核电站也潜在类似的威胁,对核能产生装置(如核电站)在运行过程中产生的各种放射性核素的辐射问题十分关注。因此,第一代核技术的首要目标就是解决安全问题,而这也贯穿了核电技术发展的始终。

  上世纪七八十年代是核电工业的黄金年代,因石油涨价引发的能源危机促进了核电的发展。国际原子能机构(IAEA)提供的数据显示,世界新增核电站的速度在1985年达到顶峰。目前,世界上商业运行的400多座核电机组绝大部分是在这段时期建成的,称为第二代核电机组。徐銤认为,随着第二代核电技术的发展,除了安全性之外,人们也开始考虑经济性问题。这两个问题也是第三代核电技术致力解决的主要目标。

  1986年切尔诺贝利事件让核工业进入了历史上最寒冷的冬天,新建核电站数量直线下降。因为旧核电站退役的缘故,1998年的核电总装机容量甚至出现了负增长。由于大部分现役核电站都是在上世纪七八十年代兴建的,而老式核电站的设计年龄大都不超过40年,核电站的退役高峰期即将来临。

  进入21世纪后,核电行业又被注射了一针强心剂,那就是全球气候变化。作为一种当之无愧的清洁能源,对有减排压力的国家来说,建核电站又有了一个新的理由。自2004年开始,核电复兴的浪潮渐渐成形。全世界现有42座用于发电的核动力堆正在建设,预计2010年~2020年期间,全球将会建设更多的核电站。

  徐銤认为,正是在核电大规模建设和核废料处理的双重压力下,催生了以快堆为代表的第四代核电技术的快速发展,而其主旨就是要解决核电的可持续发展问题。

可持续发展:快堆的“双管齐下”

  据国际原子能机构最新统计数据显示,截至2010年5月,全世界共有438座反应堆在运行。这些反应堆绝大多数是由热中子引发裂变反应,因而又被称为热堆。热堆消耗的主要核燃料是铀235。自然界中铀235的蕴藏量仅占0.71%,其余绝大部分是铀238,占99.2%。

  徐銤告诉记者,大力发展核能已成为我国能源中长期发展规划的战略重点。目前,我国现役的核电机组有11个,装机容量为9.1吉瓦,占全国发电总量的1.3%。按照国家发展改革委最新的核电发展规划,2020年我国在役核电机组将达到70座以上,装机容量达到70吉瓦,占总装机容量的5%以上。据估计,2030年核电比例将达到约10%;2050年将可能超过400吉瓦,比目前全世界核电装机容量的总和还要多。

  “这将给核燃料供应带来极大挑战。”徐銤说,如果继续采用热堆技术,240吉瓦压水堆运行60年就需要240万吨天然铀,而全世界每公斤130美元以下的铀资源只有不足500万吨。

  铀资源有限,又需要发展大规模核能,徐銤指出,在这种情况下,唯一的办法是尽力发展压水堆,总装机容量越大越早越好,为快堆提供初装钚,同时加快发展快堆,通过良性的产业循环,提供更多日常能源。

  据介绍,快堆技术之所以能够破解铀资源难题,是因为快堆的燃料不是铀235,而是钚。钚产生裂变反应时放出来的快中子,被装在快堆堆心外围再生区的铀238吸收,变为铀239。铀239经过几次衰变后转化为钚239。在大型快堆中,平均每10个铀235原子核裂变可使12至15个铀238转变成钚239。这样,钚239裂变,在产生能量的同时,又不断地将铀238变成可用燃料钚239,而且再生速度高于消耗速度,核燃料会越烧越多,快速增殖,所以这种反应堆又称快中子增殖堆。

  国际原子能机构提供的数据显示,发展快堆,可以将铀资源的利用率提高到60%~70%。这也使得更贫铀矿有了开采价值,世界上可采的铀资源将提高1000倍。

  “另外,如果采用快堆技术,就不需要尤卡山这样的地方了。”徐銤说。今年3月,美国耗资90亿美元、历时22年建设的尤卡山计划终止了。该计划的初衷是要解决永久性掩埋核废料的问题。

  徐銤解释说,压水堆核燃料在燃烧之后,会产生具有高放射性的乏燃料,其处置需要耗费巨大资金。不过,如果将乏燃料进行处理,放入快堆中回收利用,放射性物质的衰变期将从几百万年变为两三百年,同时还能大大减少核废物处置量,由此降低乏燃料贮存的长期风险。

  对于利用快堆技术解决核废料,徐銤充满了信心:“从2030年开始,每隔10年建6个较小的用于嬗变的快堆,把高放废物变成一般的裂变产物。这样做的话,核废料就不成问题了。”

先进裂变核能:刚刚起步的长征

  今年1月,中国科学院宣布,今年将启动5个先导科技专项,其中之一就是未来先进核裂变能。

  不管是对学术界还是产业界而言,“先进核裂变能”都是一个新鲜的词汇。对此,在接受《科学时报》记者采访时,中国科学院基础科学局大科学工程与核科学处副处长彭子龙的解释是:“‘未来先进核裂变能’专项的定位,就是瞄准核燃料的稳定供应和核废料的安全处置两大关键问题,开展钍基核能系统和加速器驱动次临界系统(ADS)嬗变系统两大内容的前瞻性、基础性研究,储备未来先进核能的核心技术和人才,并与我国已有或正在部署的其他重要内容一起,构成近中远相结合的核能发展完整布局,保障其长期持续发展。”

  彭子龙表示,该专项的目标之一是要满足核燃料多样化的要求。与铀238类似,钍232也是潜在的核燃料,它吸收一个中子后转变为易裂变的铀233。与现有的核电前沿技术相比,基于钍铀燃料循环的钍基核能系统具有许多突出优势。例如,钍资源丰富,地壳中的钍储量是铀的3~4倍,我国的钍资源已探明储量居世界前列,同时核废料少、放射性低等。

  “专项的另一目标是要彻底解决核废料的长周期放射性问题。”彭子龙说,目前国际核能界正致力于发展核的嬗变技术,以便于进一步对分离出来的核废料在经嬗变(使其放射性寿命从数百万年降低到约700年)后再地质深埋,从而使人类能够在现有的技术条件下(特别是材料)较好地保证安全性。

  就理论而言,快中子反应堆和ADS系统都能嬗变核废料。不过,据彭子龙介绍,国际原子能机构研究认为,ADS具有更高的中子余额和更硬的中子能谱,对嬗变更有利,是安全处置核废料最有潜力的工具。在多次组织院士就此问题咨询时,得出的结论是:“从我国核能可持续发展战略中的地位看,快堆侧重于核燃料增殖,ADS侧重于核废料嬗变,是比较合理的选择。”

  在徐銤看来,对钍基核能系统的研究现在还只是处于科研阶段,还有大量的基础工作要做。作为未来核电技术的一种替代性选择,目前可以着手进行一些预研性工作,为未来的发展指明方向。

  谈及ADS系统,徐銤表示,中国原子能科学研究院已与中国科学院高能物理研究所就此展开相关合作,但具体项目尚未启动。

核聚变:不会是终极
 

  国际热核聚变实验反应堆(ITER)被人们形象地称为人造太阳,其目的是建造一个聚变实验堆,探索利用聚变能发电的科学和工程技术可行性,为实现聚变能商业应用奠定基础。

  中国工程院院士万元熙是ITER科学技术顾问委员会主席和总体控制与协调中方代表。在接受《科学时报》记者采访时,他表示,半个多世纪以来,核聚变研究在全世界核聚变界的共同努力下,取得了重大进展,而其最大的成绩就是建设了ITER。

  万元熙并不讳言,对于ITER,在国内和国际上都一直存在着支持和反对两派。他认为,反对的主要原因是因为ITER需要吸纳相当多的科研经费,而这会影响到其他项目的经费投入。“实际上,反对者很多都不是这个领域的。”万元熙说。

  ITER是托卡马克型聚变实验反应堆。托卡马克是俄语环形磁容器的简称,是核聚变物理实验装置,其原理是利用环向磁场对等离子体进行约束,在这个环形磁容器内将聚变燃料加热至极高温,进而实现可控核聚变。

  2006年9月26日,由万元熙主持完成的EAST超导托卡马克聚变实验装置首次成功放电,标志着世界上第一个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置已在中国首先建成并正式投入运行。对此,万元熙谦虚地表示:“如果将ITER比作未来的大天鹅,那EAST就是小麻雀。麻雀虽小五脏俱全,EAST装置对ITER的物理基础和运行,特别是在长脉冲稳态运行方面将作出重要贡献,因而受到世界的重视。”

  对于EAST的目标,万元熙作了这样一个比喻,如果将ITER初期释放能量的方式比作一闪一闪的霓虹灯,而EAST想做的就是为ITER连续运行提供某些物理和工程技术基础。虽然目前ITER距离未来实用能源还有一段距离,但EAST可以提供一些先行的经验。

  万元熙自豪地表示,现在全世界研究核聚变最著名的研究所所长都来和我们中国年轻的所长一起探讨工作,这说明中国确实已开始在核聚变研究方面发挥作用。

  万元熙认为,对ITER来说,最重要的是要用一切办法实现稳态运行,以便能够获得可供人类使用的聚变能量,而不仅仅是短暂的聚变功率。这不只是研究的问题,还在于各国投多少钱。因为ITER现在已经不只是摆在实验桌上的设备,而是需要在最后工业化应用之前进行中试、大试,而这必然需要投入大量经费。“虽然20年前ITER就已具备物理工程基础,但因为风险大、需要的经费多,所以一直在探讨,没有及时作出建造决定”。

  2006年,欧盟、美国、俄罗斯、日本、中国、印度和韩国7方签订了建造ITER的合作协议,标志着该项目的启动。ITER项目预期持续30年,10年做工程建设,20年用于运行,最初估计建造总经费约50亿欧元,其中欧盟承担约46%,其余6方各承担9%。

  然而,今年5月,欧盟委员会发布的一份备忘录称,ITER项目经费由于材料费用剧增和增设安全设施等诸多因素,导致欧盟自己的预算经费严重不足,外界因此议论:经费增加可能使项目面临下马危险。

  对此,万元熙表示,目前这一问题已得到妥善解决。今年7月27日~28日,在法国卡达拉舍召开的ITER理事会特别会议上,各参加国已批准ITER项目建设的总经费计划。作为参加ITER项目的一方,欧盟自己将从第七框架计划(FP7)2012~2013年的研究经费中重新分配4.6亿欧元用于ITER项目,此外再从欧盟尚未使用的预算中转移4亿欧元,剩余5.4亿欧元来源将在2010年10月进行预算协调时予以确认。至此,ITER项目经费问题已尘埃落定,全部经费约增加20%左右。