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Nature:中国准备测试钍燃料核反应堆

发布时间:2021-09-10 14:37:17

Nature:中国准备测试钍燃料核反应堆(图1)

中国有50多座装轻水堆核电站,武威的核反应堆将是第一座实验钍反应堆。

科学家们对即将在中国开始测试的使用钍作为燃料的实验性核反应堆感到兴奋。尽管这种放射性元素以前曾在反应堆中进行过试验,但专家表示,中国是第一个尝试将该技术商业化的国家。

该反应堆的不同寻常之处在于它内部循环的是熔盐而不是水。它有可能生产相对安全和廉价的核能,同时产生的极长寿命的放射性废物比传统反应堆少得多。

据甘肃省政府称,位于戈壁沙漠郊区的武威实验钍反应堆计划在本月进行试运行。钍是一种弱放射性的银色金属,天然存在于岩石中,目前几乎没有工业用途。研究人员说,它是中国不断发展的稀土采矿业的废物,因此是进口铀的有吸引力的替代品。

强大的潜力

“钍比铀丰富得多,因此在 50 或 100 年后,当铀储量开始耗尽时,它将成为一项非常有用的技术,”澳大利亚核科学与技术中心的核工程师林登爱德华兹说悉尼的组织。但这项技术需要几十年的时间才能实现,所以我们需要从现在开始,他补充道。

与中国研究人员密切合作的日本大矶国际钍熔盐论坛前任主席吉冈律雄表示,中国于 2011 年启动了熔盐反应堆计划,投资约 30 亿元人民币(5 亿美元)。

由上海应用物理研究所 (SINAP) 运营的武威反应堆旨在产生仅 2 兆瓦的热能,仅足以为 1,000 个家庭供电。如果试验成功,中国希望到2030年建造一座373兆瓦的反应堆,可为数十万家庭供电。

国家发改委能源研究所的能源建模师姜克军表示,这些反应堆是帮助中国在 2050 年左右实现零碳排放目标的“完美技术”之一。

天然存在的同位素钍 232 不能进行裂变,但在反应堆中受到辐射时,它会吸收中子形成铀 233,这是一种会产生热量的裂变材料。

钍已在美国、德国和英国等国家的其他类型核反应堆中作为燃料进行测试,并且是印度核计划的一部分。但迄今为止,它尚未证明具有成本效益,因为它的提取成本比铀更高,并且与某些天然存在的铀同位素不同,它需要转化为裂变材料。

一些研究人员支持钍作为燃料,因为他们说与铀相比,钍的废物被武器化的可能性更小,但其他人则认为风险仍然存在。

Nature:中国准备测试钍燃料核反应堆(图2)

资料来源:美国能源部/国际原子能机构

来自过去的爆炸

当中国启动其实验反应堆时,它将成为自 1969 年美国田纳西州橡树岭国家实验室的研究人员关闭他们以来运行的第一个熔盐反应堆。这将是第一个以钍为燃料的熔盐反应堆。与 SINAP 合作的研究人员表示,中国的设计复制了橡树岭的设计,但通过在制造、材料和仪器方面数十年的创新对其进行了改进。

与反应堆直接相关的中国研究人员没有回应确认反应堆设计以及何时开始测试的请求。

剑桥麻省理工学院核工程师查尔斯福斯伯格说,与传统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,这意味着它们可以更有效地发电。

中国的反应堆将使用氟化盐,当加热到约 450 ºC 时,会熔化成无色透明液体。盐作为冷却剂从反应堆堆芯传输热量。此外,熔盐反应堆也不是固体燃料棒,而是使用液态盐作为底物,使钍等燃料直接溶解到堆芯中。

熔盐反应堆被认为是相对安全的,因为燃料已经溶解在液体中,并且它们在比传统核反应堆更低的压力下运行,从而降低了爆炸性熔毁的风险。

吉冈说,许多国家正在研究熔盐反应堆——从铀中产生更便宜的电力或使用轻水反应堆中的废钚作为燃料——但只有中国正在尝试使用钍燃料。

Nature:中国准备测试钍燃料核反应堆(图3)

印度孟买巴巴原子研究中心的钍颗粒。图片来源:Pallava Bagla/Corbis/Getty

下一代反应堆

福斯伯格说,中国的反应堆将成为“进行大量学习的试验台”,从分析腐蚀到表征循环时混合物的放射性核苷酸成分。

“我们将学习很多新科学,”英国班戈大学的核材料科学家 Simon Middleburgh 表示赞同。“如果他们让我,我会在那里的第一架飞机上。”

中国的反应堆可能需要几个月的时间才能全面运行。“如果途中出现任何问题,您将无法继续,必须停下来重新开始,”米德尔堡说。例如,泵可能会发生故障,管道可能会腐蚀或可能会发生堵塞。尽管如此,科学家们对成功充满希望。

熔盐反应堆只是中国正在投资的众多先进核技术中的一种。2002 年,一个政府间论坛确定了六项有前途的反应堆技术,这些技术将在 2030 年之前快速推进,包括用铅或钠气体冷却的反应堆。中国有针对所有这些人的计划。

香港大屿山集团能源咨询公司的项目经理大卫菲什曼说,其中一些反应堆类型可以取代燃煤发电厂。“随着中国迈向碳中和,它可以撤出(电厂)锅炉,并用核反应堆对其进行改造。”


  来源:Nature  

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