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四代堆化解“三大挑战”
“熔盐堆被认为是钍资源利用的理想堆型。”中科院金属研究所高级工程师董加胜介绍说,传统固态反应堆的缺点在于堆反应的复杂性。堆芯熔毁事故严重时,会导致核燃料坍缩到临界质量而导致泄漏,如乌克兰的切尔诺贝利和日本的福岛泄漏事故。如果核燃料是液态,所有问题都将迎刃而解,这也是熔盐堆出现的主要原因。
“熔盐堆使用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。”徐洪杰说,作为国际第四代反应堆核能系统研究的6种候选堆型中唯一的液态燃料堆,它具有结构简单、可以在常压下运行、燃料“杂食性”强等优点。“新炉子”可以做得非常小巧,封入一定的核燃料就能稳定运行数十年,而经过充分燃烧,理论上其产生的核废料将仅为现有技术的千分之一。
熔盐堆还具有诸多安全特性。当熔盐堆内熔盐温度超过预定值时,设在底部的冷冻塞将自动熔化,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。此外,熔盐堆工作在常压下,操作简单安全。熔盐堆还可建在地面10米以下,有利于防御恐怖破坏和战争袭击。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。
“核燃料长期稳定供应、核废物最小化处置、防止核武器扩散,是核能发展面临的‘三大挑战’。”这也是我国第四代核能系统的预定目标。相比目前的主流核电技术——第三代反应堆,四代堆包括了核燃料加工技术、反应堆技术和核废料处理技术,所以称为核能系统。
“未来先进核能”先导专项还包括加速器驱动次临界系统(ADS),它是国际公认的最有前景的处置核废料的嬗变技术之一,是未来彻底解决核废料对生物圈危害的重要技术。中科院金属研究所研究员杨柯说,相对国际上现有两种处理核废料的方式,即一次通过和闭式循环,加速器驱动次临界系统(ADS)可在闭式循环的基础上进一步利用核嬗变反应,将长寿命、高放射性核素转化为中短寿命、低放射性的核素。
三步走绘制“路线图”
“熔盐堆材料大多需在高温、极强腐蚀和中子辐照等多重极端环境下工作,核岛内聚合物也需在辐照的条件下工作,这对材料本身提出了极其严格的要求。”董加胜说,对燃料盐的包容是研究的难点之一,即使国外商用HastelloyN合金,也依然存在长期服役后辐照开裂等诸多问题。
围绕“未来先进核裂变能”先导专项,中科院开展了联合攻关。包括上海应用物理研究所、兰州近代物理研究所在内的数家科研单位,分别承担了不同的研究课题,金属所承担的两项课题,一是熔盐堆结构金属材料,二是用于ADS嬗变系统的新型耐高温、抗辐照、抗液态金属腐蚀材料。
金属所副所长张健介绍说,金属所已经研制出具有自主知识产权的GH3535合金,其耐熔盐腐蚀、抗氧化,以及物理、力学等各项性能,均达到或超过了国外同类合金水平,在纯净度方面具有明显优势。
由于全球新一代核反应堆尚处于研发中,因此,我国通过自主研发、自行设计制造四代堆,能够掌握全部知识产权,保证我国未来的国家能源安全。
“目前,先进核能专项已完成ADS系统研究装置和2兆瓦固态燃料钍基熔盐堆的概念设计。”中科院日前向记者通报了先导专项的研究进展。但这仅仅只是一个开始,距离“更安全、更清洁、最终也更便宜”的钍反应堆为人类服务还有很长的路要走。从过去的情况看,每一代反应堆从实验室攻关到进入中试阶段,再到核电站的商业运作阶段,会经历二三十年的漫长过程。
根据中科院制定的“核能中长期发展路线图”,在钍基核能系统方面,我国计划分3步走:到2015年,集中力量加强钍铀循环和熔盐反应堆技术的基础研究和技术攻关;在此后的2020年和2030年前后,力争完成10兆瓦的钍基熔盐原型堆和100兆瓦的示范堆;最终进入商业化用途阶段,预计在2040年前后。
从“核能中长期发展路线图”可见,现在还处于“发现问题”的前期阶段。
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