核能中長期發展路線圖

　　熔鹽堆示意圖

　　面對能源危機、霧霾圍城，核能以綠色、高效、低碳排放和可規模生産的突出優勢，成為較為理想的替代能源。但是，當前核能利用過程中也存在著諸多缺陷有待克服：如核安全問題始終像“達摩克利斯之劍”，讓公眾心存顧慮；核燃料供應、核廢料處理及核武器擴散等問題，也一直困擾著核能的發展。

　　雖然日本福島核電站核泄漏事故曾引起全世界對發展核能的擔憂，但人類對替代能源的追尋永遠不會止步。我國科學家已經啟動研製具有自主智慧財産權的四代核能系統，試圖破解當前和未來核能發展所面臨的諸多難題，為我國的綠色發展提供不竭動力。

　　釷—— 鈾的“超級替補”

　　在包鋼的尾礦壩，7萬噸釷被當作“下腳料”一樣，堆放在1.5億噸尾礦中。可能很少有人知道，釷這種幾乎被人“遺忘”的重金屬元素也能做核燃料。這是因為，釷本身並不會像鈾235那樣發生裂變，只有用中子轟擊它，才能將其轉換成鈾233再使用，被稱為釷—鈾核燃料迴圈。

　　據介紹，目前全世界運作的核反應爐絕大多數是熱堆，即由熱中子引發裂變反應。熱堆消耗的主要核燃料是鈾235。自然界中鈾235的蘊藏量僅佔鈾蘊藏總量的0.71%，其餘絕大部分是鈾238，佔99.2%。中科院上海應用物理研究所研究員徐洪傑介紹説：“如果按照國際通用演算法，未來30年核電規模為現在的7倍，那麼鈾235礦將在40年內用盡。”

　　和鈾相比，釷的優勢在於資源豐富。釷大量存在於地殼表層，目前地殼中釷的探明儲量約為鈾的3至4倍。在我國，釷鈾儲量之比約為6:1，已探明的釷工業儲備量約為28萬噸，僅次於印度，居世界第二位。據原包頭市稀土研究院院長馬鵬起測算，白雲鄂博礦區的釷礦資源可支撐中國能源需求5000年。

　　釷替代鈾，還具有很多優勢。與鈾在進入反應堆之前必須經過高濃縮不同，釷是直接可利用的核燃料。1噸釷裂變産生的能量抵得上200噸鈾，相當於350萬噸煤炭。諾貝爾物理學獎獲得者、歐洲核子研究中心前主任卡洛·魯比亞形容，一塊拳頭大小的釷金屬，能為倫敦供電1星期。

　　釷作為核燃料，還可以避免核武器擴散的風險，更加和平地利用核能。傳統鈾反應堆産生的核廢料中，有大量易於生産核武器的核燃料钚239，存在核擴散的風險。而科學界公認，釷—鈾燃料迴圈不適於生産武器級核燃料，只能用於産生核能。

　　釷的諸多優勢是取代鈾做核燃料的重要原因，也是中科院最終選擇將“釷基熔鹽堆核能系統（TMSR）”作為首批戰略性先導專項之一的理由。據介紹，“先導專項”定位於解決關係國家全局和長遠發展的重大科技問題。其中，“未來先進核裂變能”專項致力於解決我國乃至世界核能快速發展均面臨的“核燃料的穩定供給”和“核廢料的安全處置”等嚴峻挑戰。

　　四代堆化解“三大挑戰”

　　“熔鹽堆被認為是釷資源利用的理想堆型。”中科院金屬研究所高級工程師董加勝介紹説，傳統固態反應堆的缺點在於堆反應的複雜性。堆芯熔毀事故嚴重時，會導致核燃料坍縮到臨界品質而導致泄漏，如烏克蘭的切爾諾貝利和日本的福島泄漏事故。如果核燃料是液態，所有問題都將迎刃而解，這也是熔鹽堆出現的主要原因。

　　“熔鹽堆使用熔融狀態的氟化鹽攜帶著核燃料——有點類似地殼裏的岩漿，在‘爐子’中燃燒，不斷輸出巨大的能量。”徐洪傑説，作為國際第四代反應堆核能系統研究的6種候選堆型中唯一的液態燃料堆，它具有結構簡單、可以在常壓下運作、燃料“雜食性”強等優點。“新爐子”可以做得非常小巧，封入一定的核燃料就能穩定運作數十年，而經過充分燃燒，理論上其産生的核廢料將僅為現有技術的千分之一。

　　熔鹽堆還具有諸多安全特性。當熔鹽堆內熔鹽溫度超過預定值時，設在底部的冷凍塞將自動熔化，攜帶核燃料的熔鹽隨即全部流入應急儲存罐，使核反應終止。此外，熔鹽堆工作在常壓下，操作簡單安全。熔鹽堆還可建在地面10米以下，有利於防禦恐怖破壞和戰爭襲擊。由於冷卻劑是氟化鹽（同時攜帶燃料），冷卻後就變成了固態鹽，這使得核燃料既不容易洩露，也不會與地下水發生作用而造成生態災害。

　　“核燃料長期穩定供應、核廢物最小化處置、防止核武器擴散，是核能發展面臨的‘三大挑戰’。”這也是我國第四代核能系統的預定目標。相比目前的主流核電技術——第三代反應堆，四代堆包括了核燃料加工技術、反應堆技術和核廢料處理技術，所以稱為核能系統。

　　“未來先進核能”先導專項還包括加速器驅動次臨界系統（ADS），它是國際公認的最有前景的處置核廢料的嬗變技術之一，是未來徹底解決核廢料對生物圈危害的重要技術。中科院金屬研究所研究員楊柯説，相對國際上現有兩種處理核廢料的方式，即一次通過和閉式迴圈，加速器驅動次臨界系統（ADS）可在閉式迴圈的基礎上進一步利用核嬗變反應，將長壽命、高放射性核素轉化為中短壽命、低放射性的核素。

　　三步走繪製“路線圖”

　　“熔鹽堆材料大多需在高溫、極強腐蝕和中子輻照等多重極端環境下工作，核島內聚合物也需在輻照的條件下工作，這對材料本身提出了極其嚴格的要求。”董加勝説，對燃料鹽的包容是研究的難點之一，即使國外商用HastelloyN合金，也依然存在長期服役後輻照開裂等諸多問題。

　　圍繞“未來先進核裂變能”先導專項，中科院開展了聯合攻關。包括上海應用物理研究所、蘭州近代物理研究所在內的數家科研單位，分別承擔了不同的研究課題，金屬所承擔的兩項課題，一是熔鹽堆結構金屬材料，二是用於ADS嬗變系統的新型耐高溫、抗輻照、抗液態金屬腐蝕材料。

　　金屬所副所長張健介紹説，金屬所已經研製出具有自主智慧財産權的GH3535合金，其耐熔鹽腐蝕、抗氧化，以及物理、力學等各項性能，均達到或超過了國外同類合金水準，在純凈度方面具有明顯優勢。

　　由於全球新一代核反應爐尚處於研發中，因此，我國通過自主研發、自行設計製造四代堆，能夠掌握全部智慧財産權，保證我國未來的國家能源安全。

　　“目前，先進核能專項已完成ADS系統研究裝置和2兆瓦固態燃料釷基熔鹽堆的概念設計。”中科院日前向記者通報了先導專項的研究進展。但這僅僅只是一個開始，距離“更安全、更清潔、最終也更便宜”的釷反應堆為人類服務還有很長的路要走。從過去的情況看，每一代反應堆從實驗室攻關到進入中試階段，再到核電站的商業運作階段，會經歷二三十年的漫長過程。

　　根據中科院制定的“核能中長期發展路線圖”，在釷基核能系統方面，我國計劃分3步走：到2015年，集中力量加強釷鈾迴圈和熔鹽反應堆技術的基礎研究和技術攻關；在此後的2020年和2030年前後，力爭完成10兆瓦的釷基熔鹽原型堆和100兆瓦的示範堆；最終進入商業化用途階段，預計在2040年前後。

　　從“核能中長期發展路線圖”可見，現在還處於“發現問題”的前期階段。（經濟日報記者 杜 銘）