核电技术发展前景与瓶颈

莫志涵

摘 要：核电技术经过数十年的发展，已形成较为完整的体系。主要为核裂变技术应用，对于核聚变，尚未有有效的使用方法。而对于核电，也有不少人持反对态度。而核电是否能得以发展，根据目前的研究进展及人们对清洁能源的需求产生的动力，使该技术的前景值得期待。

关键词：核电技术 裂变技术 核聚变 发展前景

中图分类号：F062 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）12（a）-0064-02

1 是否有可能提高裂变技术

核裂变（Nuclear fission）又称核分裂，是一个原子核分裂成几个原子核的变化。裂变只有一些质量非常大的原子核像铀（yóu）、钍（tǔ）和钚（bù）等才能发生核裂变。这些原子的原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多个质量较小的原子核，同时放出2～3个中子和很大的能量，又能使别的原子核接着发生核裂变……使过程持续进行下去，这种过程称作链式反应。原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量称为原子核能，俗称原子能。而原子能的局限在于对燃料的使用。

（1）已探知的铀的含量尚算丰富，钍与钚也较为丰富，可以认为燃料数量并不影响太多，关键在于燃料的提取。目前铀的提取方法为浸出法，效率处于80%左右。也有各种其他浸出法，包括新研发的细菌法，但效率提高并非立竿见影。提取核燃料的技术也不可能有较为明显的提升，毕竟燃料并非严重困难，提取方法改进带来的效率提升并不可能改变核能燃料整体的成本。

（2）核电站燃料的使用方法与热电厂末端相差不多，通过冷却剂驱动汽轮发电机。在这方面上的提升空间有限，受限于冷却剂本身的温度与外界的热传导，汽轮机的效率限于50%左右，而效率提升重点在于对核燃料的使用率。燃料使用时散发热量取决于运行功率。而降低运行功率会导致链式反应无法继续。中科院最近提出的Z箍缩聚变-裂变混合反应堆概念可以说是行业的一大进展。Z箍缩聚变-裂变混合堆主体部分由Z箍缩聚变堆芯、裂变包层、产氚包层和燃料循环系统等组成。在聚变堆芯中，重频驱动器输出的60 MA超强电流，产生的强大洛仑兹力引起箍缩效应，创造受控热核聚变所需的超高温、超高密度状态，用以加热并压缩含氘氚燃料的聚变靶丸，并使其发生可控的热核聚变反应，输出大量高能聚变中子；在高能聚变中子作用下，包裹在聚变堆芯周围的铀238发生裂变反应，产生稳定、可控的输出巨大能量；裂变包层泄漏中子用于产氚，在燃料循环系统中实现氚的“自持”循环。氚的使用也是为了提高链式反应效率。而降低反应功率可提高对于铀的使用率。对于轻核聚变的结合，有助于真正清洁能源的研发过程上提高传统技术效率，燃烧效率可达90%。当然，投入使用仍然需要较长周期。

（3）快中子反应堆可以说是技术思路的极大突破，发掘原本没有利用价值的铀238，实现核燃料的无数倍增。主要问题在于安全。日本“文殊”反应堆因钠的泄出至今已准备报废，但快中子的潜力仍有许多，相对于核聚变的遥遥无期，这已是最有希望的扩大核电规模的技术，当然存在许多技术问题尚未解决，難点主要在于剩余热量的导出，以及各种工程问题。

（4）热核技术的安全性。目前受到的关注最多。对于核电站的安全防护，主要有各种防护层，包括燃料元件包壳、压力壳（即反应堆冷却剂承压边界）、反应堆安全壳、厂区分隔和站外应急设施。只有全部损坏才会导致安全问题，安全性相对较高。主要危险也在于温度过高后控制单元的损坏导致余热无法导出。但总的来说，安全问题尽管不一定会出现，安全防护却不能少。相比较其余发电方式，可以说核电还是较为安全的。而安全措施已较为完善，提升方式主要在于反应时间的减少和管理水平的提升。

（5）核电设备的发展。学术上通常把核电站的组成设备称为核电设备，各系统的设备约有48 000多套件，其中机械设备约6 000套件，电器设备5 000多套件，仪器仪表25 000余套件，总重约6.7万t。一座2×600MW的压水堆核电站约有290个系统，分别归属核岛（NI）、常规岛（CI）和电站辅助设施（BOP）。

核电设备是核电技术发展的基础，其制造水平决定了技术应用的可能性，近些年来，节能减排成为全球的焦点问题，核电重新进入人们的视野，核电发展成为热潮，也给核电设备的制造和发展提供了历史性的机遇。我国核电工业发展较晚，从1991年我国第一座核电站—— 秦山一期并网发电建立以来到2008年，我国已有6座核电站共11台机组投入商业运行，2009年我国核电技术自主化捷报频传，首批三代核电自主化依托项目在此年全面开工建设。2010年开始，由沿海延伸至内陆的许多省份都开展了核电站建设的大动作，为核电设备发展提供了更为宽阔的领域。我国核电设备的蓬勃发展引起了国外的关注，俄罗斯与我国就核电开展合作，将联合建造漂浮核电站。漂浮核电站能够为边远地区提供能源，并且不怕地震，能够帮助应对各种有利工具。

近年来，美国、日本、法国等国的核电设备制造企业纷纷进入中国核电设备市场。伴随着国产化程度的不断提高，核电技术的不断发展，必然会推动中国核电设备的不断升级。就我国核电设备发展来看，具有良好的发展前景，而国际核电设备制造业更为先进，并且技术和资源更为丰富，其发展前景更加乐观。

2 关于核聚变的发展方向

热核反应或原子核的聚变反应，是当前很有前途的新能源。参与核反应的氢原子核，如，氢（氕）、氘、氚、锂等从热运动获得必要的动能而引起的聚变反应（参见核聚变）。热核反应是氢弹爆炸的基础，可在瞬间产生大量热能，但尚无法加以利用。如能使热核反应在一定约束区域内，根据人们的意图有效地控制产生与进行，即可实现受控热核反应。这正是在进行试验研究的重大课题。受控热核反应是聚变反应堆的基础。聚变反应堆一旦成功，则可能向人类提供最清洁而又是取之不尽的能源。

（1）热核反应可能的方法，上文提到的Z箍缩聚变-裂变混合反应堆概念算是一种新的尝试，目前主要有前景的在于托卡马克装置的再研发，目前最好效果为102 s，离实用还有很长的路，还有希望的方法为惯性约束，当然也困难重重，仅处在实验室阶段，使用至少还需50年。当然，热量的导出也是不小的难题，但相比于极大的能源总量，导出时可能的损失也可以忽略。至于科学界的反面典型，被鼓吹的冷核反应，并不可能报什么希望，毕竟连已知原理的方法也较为困难，当然也不排除科学原理的创新。

（2）安全性上显然轻核比重核更加重要，但因聚变反应本身需要的高温，失去控制的反应反而不易发生，最重要的在于没有了辐射的危害，也就没有了核废料的处理困难，所以前景上来看，核聚变更可靠的。只是实施时间过长，不知何时才能投入使用。

（3）燃料来源与常人想法不同，尽管氘为最常见的元素，但是反应需要的氚并不常见。幸亏通过锂的裂变可以产生氚，而锂也是极为廉价的矿物之一。才使得大力发展核聚变成为可能。当然技术突破如果发生，直接可以使氘氘发生反应。总之，原料问题并不需要考虑，也极易获得，没有成本问题。

（4）一旦实现核聚变的使用，对于世界的能源产业肯定会有翻天覆地的改变。只是等实施成功，常规能源也几乎消耗尽了，可以说这也是不得不进行的选择。

综合核能源的发展，最有希望的在于快中子反应堆以及核聚变的使用，无论是惯性约束还是磁约束，都有成功的可能。而目前最可行的是快中子，突破瓶颈也是最有希望的。

参考文献

[1] 赵丽菲.浅谈核电技术的发展趋势[J].科技创新与应用，2014（11）：102.

[2] 王凯.李国瑾.新时期核电站厂址选择与项目前期管理研究[J].中国核电，2013（3）：246-250.