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如何让钍成为核燃料
理论上,只要能发生裂变反应的物质,都可以用作核燃料。但实际上,只有三种元素是比较容易发生裂变反应的,它们是铀-233,铀-235和钚-239,称为易裂变核素。在这三种易裂变核素里,只有铀-235是自然界中天然存在,所以我们现在的核电站才使用铀-235作为核燃料。铀-235在天然铀矿里的含量不到1%,其储量非常有限。按照国际原子能机构(IAEA)的估算,目前探明的铀-235资源只能供应人类使用80年左右。
由于铀-235的储量有限,研究人员把目光投向了另外两种易裂变核素,铀-233和钚-239。虽然这两种元素在自然界中不存在,但我们可以进行人工生产。
钍是自然界中和铀相似的另一种重核元素,它的原子核里含有90个质子和142个中子,质量数为232,称为钍-232。当我们用中子轰击钍-232时,它不会发生裂变,而是把这个中子“吃”进去,形成钍-233。钍-233不是稳定物质,它会逐渐衰变,最终成为铀-233(见钍-铀转换反应式)。根据这个原理,我们就可以通过钍-232来生产铀-233,而铀-233跟铀-235一样可以直接作为核电站的燃料使用。
钍-铀转换反应式
自然界中钍资源非常丰富,其储量大约是铀资源的3-4倍。这里的铀资源不仅指铀-235,还包含了目前还没能利用的占天然铀99%以上的铀-238。所以,如果能够按照上述方法,将钍-232转换成铀-233,那么核燃料的供应便不再是个问题了。
当然,这种核燃料的生产技术并不像我们写核反应式一样简单,而是需要解决大量的科学问题和工程技术问题。这些问题可以说每一项都是一个世界性难题。中科院设立的“钍基熔盐堆核能系统(TMSR)”项目,目的就在于集合一批科研力量来解决这一系列的世界性难题,从而为实现可持续核能扫除前端障碍。
核废料的嬗变处理
解决了前端问题,我们还需要妥善处理后端问题,才能实现核能的可持续发展。那么,核电站卸出来的核废料该如何处理呢?
所谓的核废料,指在核电站中燃烧过后卸出来的核燃料,一般称为乏燃料。在乏燃料中,含有多种物质,如表一所示。其中,铀是还没有燃烧完的核燃料,钚和次锕系元素(简称MA)是由于铀原子吸收中子但没有发生裂变反应而产生的新的物质,而裂变产物则是铀原子发生裂变反应后产生的物质,其中半衰期较长的称为长寿命裂变产物(简称LLFP)。乏燃料的潜在危害主要来自MA和LLFP,它们具有非常强的放射性,而且需要存放几万甚至几十万年,才能让其放射性水平降到天然铀矿的水平。
表一乏燃料成分
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