绿色核能未来之路

方锦清

从美国三里岛到苏联切尔诺贝利，再到日本福岛，几起大的核泄漏事故发生后，许多人对核电站的安全性非常担忧，可是面临能源短缺的问题又不得不发展核电。以德国为例，由于今年年初遭到罕见寒流袭击，该国被迫重启部分已经关闭的核反应堆，这令其2022年前逐步废除核能发电的计划面临考验。那么，未来有没有洁净而安全的核能可供选择呢？当然有。俗称“人造太阳”的可控热核聚变就将是人类能源的希望，但它距离实际应用还为时尚早。因此，核裂变能仍将是21世纪的主要能源。

瞄准未来20~30年的战略需求，中国科学院不久前提出4个A类战略性先导科技专项，其中之一就是“未来先进核裂变能”，具体包括两个系统：一是钍基熔盐（TMSR）核能系统，另一是加速器驱动的次临界堆（ADS）嬗变系统（或称“强流加速器驱动的放射性洁净核能系统”）。这在国际上也是处于关键技术研究阶段的前沿热点，为解决世界核能快速发展所面临的“核燃料的稳定供给”和“核废料的安全处置”等挑战带来曙光和希望。

“钍堆”：或将改变世界能源版图

目前全世界运行的反应堆绝大多数是热堆，即由热中子引发裂变反应。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%。按照目前估计的裂变核能发展趋势，地球上的陆基铀-235的储量将与化石能源几乎同时枯竭。因此，我国乃至世界核能的快速发展均面临核燃料未来能否稳定供应的严峻挑战。

地球上的钍元素蕴藏量巨大。钍与铀同样可作为核燃料，但钍不能直接使用，需要先通过核反应将其转换成铀-233再使用，所以称为钍-铀核燃料循环。

熔盐堆（MSR）是国际第四代反应堆6种候选堆型中唯一的液态燃料堆（另5种堆型为钠冷快堆、气冷快堆、铅冷快堆、超高温气冷堆和超临界水堆）。这种核反应堆被通俗地称为“核炉子”，天然的核燃料和需要转化核的燃料都被熔融于高温氟化盐中，熔融状态的氟化盐携带着核燃料，有点类似地壳里的岩浆，在“炉子”中燃烧，不断输出巨大的能量。这个“炉子”胃口很大，能够烧更多的核燃料，封入一定的核燃料就能稳定运行几十年；这个“炉子”还是“杂食性”的，对燃料来者不拒，现有的核废料也能够被再利用，换发“第二春”；而且这个“炉子”还可做得非常小巧，未来既可建于大城市甚至大型社区中，也可工作于荒郊野外，为偏远山村送去恒久的电力。这是多么诱人的美妙前景啊！

熔盐堆的基本特性决定了它最适合使用钍-铀核燃料循环。使用钍-铀核燃料循环的熔盐堆故称为钍基熔盐堆，它具有以下几个特点：

（1）安全性。熔盐堆是在常压下运行，而不是像传统反应堆在高压下工作，操作简单安全。当熔盐堆内温度超过预定值时，设在底部的冷冻塞会自动熔化，携带核燃料的熔盐随即全部流入应急储存罐，使核反应终止。由于冷却剂是氟化盐（同时携带燃料），冷却后就变成了固态盐，这使得核燃料既不容易泄露，也不会与地下水发生作用而造成生态灾害。同时这样也使新一代反应堆的选址变得更加自由，不限于靠近海洋，在内陆也可以建设。熔盐堆还可建在地面几十米深的地下，既可完全隔绝射线，又有利于防御恐怖破坏和战争袭击。

（2）核燃料长期供应。关于陆地钍资源储量，中科院院长路甬祥认为，不太乐观地估计，钍的储藏量是铀资源的3~4倍，而乐观地估计，则可达到5~8倍。我国是钍资源大国，若能够将钍用于生产核能，可保我国能源供应千年无忧。

（3）核废料最小化。熔盐堆可以对核燃料和反应产物进行在线添加和在线（或邻堆离线）分离及处理，使得核燃料充分地燃烧，最终卸出的核废料很少，约为目前的千分之一左右。

（4）防核扩散。传统反应堆所产生的核废料中，有大量易于生产核武器的核燃料钚-239，因此存在核武器扩散的风险，而科学界公认，钍-铀燃料循环不适于产生武器级核燃料，只能用于产生核能。

（5）多用途与灵活性。小型模块化反应堆、混合能源均为未来核能的发展方向。熔盐堆是小型模块化反应堆较为理想的堆型，同时熔盐堆又是高温堆，适于用作制氢等混合能源的应用。因此，未来或可出现小型化、社区用的核能系统。

综上所述，钍基熔盐堆的研究和发展，无疑为“核恐慌”注入一针镇静剂，它不仅有望改变全世界的能源版图，还寄予人类以希望，即绿色的、安全的核能并非不存在!

ADS：让能量放大，让弊端减少

目前常规核电存在的弊端主要有两点，一是反应堆中的铀资源利用率低（小于1%），二是可能导致超临界事故造成放射性泄漏和核废料后处理困难等问题。针对这些问题，1993年西欧核子中心的意大利物理学家、诺贝尔奖获得者卡罗·鲁比亚领导的一个小组提出了利用能量放大器获得干净核能的新原理，即强流加速器驱动的放射性洁净核能系统（ADS）。

ADS系统的最大特色是将20世纪最重要的两大核科学装置——粒子加速器和核反应堆两者巧妙而紧密地结合起来。其基本思想是：利用强流质子加速器产生的质子束与重靶核（如铅）发生散裂反应，产生大量快中子以驱动次临界反应堆来获得能量增益。通常一个质子可以产生几十个中子，这些中子作为中子源驱动次临界堆，使之维持链式反应，并嬗变核废料。因此ADS系统可以满足核燃料增殖、核废料嬗变及固有安全性的要求，是未来先进核裂变能发展的另外一个重要方向。

ADS系统具有能量放大的功能，对于以钍为燃料的快中子堆，能量放大倍数可达150。这意味着一个功率10兆瓦的加速器可以驱动功率为1500兆瓦的驱动堆式核电站。因此，驱动堆式核电站比常规核电站有明显的优点，已成为国际上21世纪的核能发展的一个最诱人的技术选择和核能创新发展的一个方向。但是，ADS系统对加速器的要求比现有的加速器超过数十至上百倍，因此，实现洁净核能系统要面对科学、材料和工程技术等一系列极具挑战性的重大问题。

国际上迄今还没有实现ADS的先例，可见其难度之大。21世纪初，在中国核工业总公司组织下，中国原子能科学院与中国科学院高能物理研究所在973项目的资助下开展了ADS合作研究。中国原子能科学院建成了我国ADS次临界堆实验平台——“启明星1号”。2005年7月18日，“启明星1号”实现首次装料，当年12月与加速器实现成功对接，由已有氘氚反应产生的中子来驱动“启明星1号”。系统依靠外源中子维持运行，在该装置上已经完成了外推实验，并进行脉冲动态实验，该项工作已取得阶段性成果。

迎接“核文艺复兴”

能源的未来出路在何方？世界上称得上可利用的清洁无污染的能源有：太阳能、风能、潮汐能、水力发电和核能等，但是太阳能和风能与气候有关，运行不够稳定；水能开发也已过极限了。核能以能量密度高、低碳排放、可规模生产的突出优势而成为唯一能大规模代替化石燃料的未来世界主要能源，目前，核能正在世界范围内全面复兴——在国际上被称为“核文艺复兴”。

据统计，截止到2010年 10月，全世界共有441座反应堆在运行，总装机容量达到376.3百万千瓦，为全球提供大约16%的电力；法国、瑞士等18个发达国家的核电超过本国供电的 20%。到2050年时，核裂变能的发电量将约占世界总发电量的50%，这也是第三次世界能源革命的总的趋势。

大力发展核能同样已成为中国能源中长期发展规划的重点。目前，我国在役13个核电机组，装机容量约10百万千瓦，约占全国发电总量的1.5%。按照国家发展改革委的核电发展规划，2020年，我国在役核电机组将达到70座以上，占总装机容量的4%~6%以上；2030年，我国核电比例将达到约 10%；2050年将可能超过400百万千瓦，超过目前全世界核电装机容量的总和。

【责任编辑】庞云