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中国打造世界首座无水反应堆,在沙漠发电且极度安全,欧美眼红了

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科技修仙EScat 2021-07-24 16:19

对于核电站的建设,全球有一个共识,那就是必须临近水源。因为核电站在运行时会产生大量的热能,需要用水进行冷却。因此西北荒漠地区,始终与核电无缘。但由液态钍而非铀提供燃料的无水核反应堆的出现,改变了这一现状。

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这种无水核反应堆被称为熔盐反应堆(通常缩写为 MSR),与使用固体燃料棒驱动的常规核电站不同,它的冷却剂和燃料是熔融态的混合盐。这一概念其实自上个世纪40年代以来就一直存在,由压水堆概念的提出者Alvin·Weinberg提出,他同时也是美国橡树岭国家实验室(ORNL)的第一任主任。设想中,该系统使用石墨作为慢化剂包裹熔融盐,激发链式反应产生热量,然后制造蒸汽为涡轮机提供动力,从而发电。

上图:核燃料与冷却剂都是以液态混合为一体方式存在

由于熔融盐可以在大气压下达到1000多度并保持液态,因此该系统可在低压下运行,能降低机械应力,提高安全性。

又因为只有当燃料被石墨包裹时,才能发生链式反应。所以当反应堆温度升高,液体膨胀到了一定程度后,燃料会因密度不足,难以维持链式反应,从而停止。并且当液体温度过高时,反应堆底部的一个特殊塞子就会熔化,让液体落入紧急倾倒罐。

上图:熔盐反应堆系统图示

即使燃料以某种方式从回路中泄漏出来,它也会因无法维持高温而迅速冷却凝固,并捕获内部的放射性物质,而钍较低的放射性水平也意味着核扩散的风险较小。

更重要的是,典型的熔盐反应堆每年每产生 1 吉瓦电力仅需要约 1,000 公斤盐燃料。而一个传统的固体燃料核反应堆,则需要大约 250 吨浓缩铀才能获得相同的能量,并且大部分废物必须储存超过 10 万年才能安全释放回地球环境。相反,熔盐反应堆产生的放射性废物,仅需储存 300 年就可安全释放。

除此之外,理论上熔盐反应堆还可以利用来自其他核反应堆的废物作为燃料来源。正常反应堆一年产生的废物可以让熔盐反应堆使用约 250 年。这使得它们恰好成为了传统核电的一种相对更安全的替代品。但因技术问题,美国始终未能建成熔盐反应堆核电站。

上图:约 1965 年美国橡树岭国家实验室早期熔盐反应堆实验控制室的照片。

起初,在熔盐反应堆概念刚被提出后的那几年,美国对该技术的主要研究方向,始终集中于飞行器反应堆试验,旨在使核反应堆达到可作为核动力轰炸机引擎的高功率密度。但在对小型核动力装置与轰炸机的适配性,及以核裂变为基础的链式反应装置对机上人员的辐射指标研究后,发现人类不适合长久驾驶这类飞机。

上图:橡树岭国家实验室的飞行器反应堆试验楼,后来它为熔盐堆试验而改建。

随后在上世纪60年代,美国建造了一座设施开始测试该技术的发电能力,并且法国、前苏联和日本等国家也启动了类似项目。不过这些早期的项目都失败了,因为它们无法解决管道因被放射性熔盐腐蚀,导致破裂等问题。自此,所有关于熔盐反应堆的研究几近停滞。直到近些年,越来越多的国家开始重启熔盐反应堆项目。

上图:美国橡树岭国家实验室

除了美国、俄罗斯与欧洲各国以外,连日本,甚至印度与印度尼西亚也都参与了进来。2011年,中国批准在甘肃省沙漠城市武威,建设钍熔盐反应堆(TMSR)原型。同时,来自全国各地的研究人员团队也被动员起来,试图解决先前阻碍其他国家的那些技术问题。例如开发一种合金,可以在接近 1,000 摄氏度的温度下承受钍盐的辐射。

根据官方计划,位于西部的反应堆将与风能和太阳能发电厂相结合,为人口稠密的东部地区提供清洁、稳定的电力供应。并且,该技术还可以为航母和潜艇等提供新的能源。尽管该项目因去年疫情原因稍稍有所延后,但 TMSR 的建设工作依旧稳步进行,预计将于 8 月完成,设备试运行最早可能在 9 月开始。

上图:钍熔盐反应堆(左下)将与风能和太阳能发电厂等可再生能源合作,生产清洁、稳定的能源。

虽然原型机只能产生2兆瓦的能量,但如果它成功了,这将是该理论第一次被付诸实践。而且在设计中,以后的商用反应堆将能产生高达100兆瓦的电能,虽然比不上铀反应堆大,但仍足以为一个拥有10万户的现代居民区提供电力。

最重要的是,钍广泛分布在地壳中,通常与稀土金属连系在一起,世界各国现已探明储量达几百万吨,是一种前景十分可观的能源材料。并且随着各国对钍矿的勘探力度的加大,钍的探明储量也在一直增加。

我国钍资源更是较为丰富。据不完全统计,20多个省和地区都已发现具有相当数量的钍资源。2005年中国科学院的资料显示,内蒙古白云鄂博矿区钍储量约为22万吨,占全国钍矿产储量28.6万吨的77.3%。足以满足中国至少 20,000 年内的能源需求。

相比之下,中国的铀储量在所有有核能力的国家中是最低的。铀的短缺会给我国的能源安全带来严重威胁,这不仅关系到经济持续稳定发展,还关系到国计民生和国家安全。因此熔盐反应堆,不仅代表着我国核能技术的进步,更是我国能源安全领域的护城河。

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