釷燃料:清潔核電技術的突破

　　為解決人類未來的能源需求，人類研究應用鈾和钚的核電技術已經(jīng)有60年了。據(jù)世界核能協(xié)會統(tǒng)計，迄今為止已經(jīng)有440座核電站分布在世界30多個國家，為人類提供了巨大的能源。不幸，因為出現(xiàn)過幾次非常嚴重的核災難，特別是2011年3月在日本福島發(fā)生的核災難，使人們對核電的利與弊產(chǎn)生了巨大的爭議，一方相信利用核能來發(fā)電是解決全球氣候變暖問題的最有效途徑，另一方則堅持認為核能是“臟能源”、“非常危險”、“不經(jīng)濟”和“沒必要”，德國等一些國家甚至宣布將在不久的未來放棄使用核能。雖然絕大多數(shù)國家目前不會采取類似措施，但問題是，化石能源總會耗盡，風力發(fā)電和太陽能發(fā)電都不夠穩(wěn)定，靠潮汐、洋流、波浪發(fā)電，邊遠地區(qū)又怎么辦?人類以后的能源問題該怎么解決?
　　事實上，雖然核電相對于煤電有其釋放的能量巨大、不排放溫室氣體等不可替代的優(yōu)點，但是一些人依然擔心核電的安全性，擔心核災難會像25年前的切爾諾貝利、2011年的日本福島那樣在毫無準備的情況下突然再次降臨，再次受到看不見的核輻射蔓延多年的威脅，這種擔心是可以理解的。而且現(xiàn)今正在運行的核電系統(tǒng)所產(chǎn)的核廢物處置困難很大。歐洲地區(qū)利用核能發(fā)電已經(jīng)幾十年，現(xiàn)有195座核電站，其所產(chǎn)的核垃圾數(shù)量可想而知，都跑到哪里去了呢?除了運往法國交由一間專業(yè)公司處置之外，德、俄還合作投入3億歐元合建核廢物處理設施和儲存場地，成本確實高昂。由于核廢物存在強烈的放射性，有的半衰期長達千年甚至幾十萬年，人類至今未能找到既容易又便宜的方法讓它“變廢為寶”，不得不將其認定為“垃圾”而深埋于山溝或地下的穩(wěn)定巖層中，究其實質，就是將這些難于處置的核垃圾留給人類的子孫后代。更有甚者，一些國家核廢物的處理不被有效監(jiān)管，導致核廢物流失，后果也十分可怕。
　　鑒于上述問題，科學家開始把利用核能的研究重點放在待開發(fā)的第四代核電技術上面，要研發(fā)具有更好的經(jīng)濟性、更少的核廢物產(chǎn)量、更高的安全性、更強的防核擴散能力的新一代核電技術。翻開核能利用的研究發(fā)展史，我們注意到，早在20世紀50－60年代，科學家就研究過一種名叫“釷”的重金屬長壽命放射性元素(半衰期為地球年齡的3倍)，它作為核燃料應用有很多獨特優(yōu)點，如果拿它來發(fā)電，它既安全又綠色，是鈾和钚的理想替代品。在核電安全問題引起廣泛關注的今天，我們來重新認識釷元素作為核燃料的應用開發(fā)，顯得尤為必要。
　　原來，雖然重金屬元素釷本身不是裂變物質，但研究發(fā)現(xiàn)一個普通的釷－232原子核吸收一個慢中子就會變成釷233，它很快就經(jīng)歷2次β－衰變，變成鈾-233：
　　²³²Th+¹n→²³³Th－²³³Pa→²³³U
　　β－衰變　β－衰變
　　而鈾－233則是一種易裂變物質。這個物理現(xiàn)象足以引起科學家對釷的極大興趣。因為，這就能決定它也可以用作次級核燃料為人類提供清潔能源。
　　
　　第一，地殼表面存在的釷就是釷－232，幾乎不含釷的其他同位素，這一特點使它在核反應堆中使用十分方便?，F(xiàn)在常規(guī)的鈾基核電站里，為了產(chǎn)生持續(xù)的鏈式反應，核燃料棒中鈾－235的濃度起碼要達到3％左右。但是天然鈾元素中的鈾－235只有0.7％，必須濃縮，成本高昂又非常費事。但如果用釷做核燃料，就不必“濃縮”這么麻煩了。
　　第二，從資源的角度考慮，釷的儲量比鈾豐富得多而且易于開采，這也很重要!根據(jù)世界核能協(xié)會的統(tǒng)計，2011年全年，全世界的核動力反應堆用鈾量就達68971噸(相當于要從瀝青礦中提取81338噸八氧化三鈾)。而目前全球還有61個在建、154個計劃建設的核電站，按照這種發(fā)展速度，鈾資源只夠人類用五六十年。除非現(xiàn)在開始投資另外建設一種“增殖反應堆”(也稱“快中子堆”)，讓占天然鈾99.3％的不可裂變的鈾－238變成可裂變物質钚－239，那才能延長天然鈾的使用年限。但快堆的技術難度在很多方面都比技術成熟的壓水堆大多了，經(jīng)濟性也有待驗證。雖然一些國家包括我國都已成功建起實驗型快堆，但要建成商業(yè)化運行的快堆核電站還需假以時日。幸運的是，釷的估計儲量是鈾儲量的4倍。再加上從研究得知，與鈾基反應堆比較，釷基反應堆運轉更高效，產(chǎn)生的放射性廢物也少得多，這無疑為人類延續(xù)上千年地利用核裂變能奠定了堅實的物質基礎。即使地球上的釷資源用盡了，未來的人類還可以向月球(見圖1)和火星索取。
　　第三，只要用慢中子撞擊釷－232，使之變成易裂變的鈾-233并設法讓它不斷增殖，就能使釷－232作為次級核燃料而被廣泛利用。下面就介紹國際上正在研究的幾種方法。
　　
　　釷鈾混合實現(xiàn)燃料增殖
　　現(xiàn)在的問題是：怎樣才能使未來的釷基反應堆中的釷－232持續(xù)不斷地轉變?yōu)殁?233。根據(jù)上面的反應式，顯然，關鍵是要提供足夠強的中子源來輻照釷－232。全世界正在運行的核電站的鈾基反應堆其實就是強大的
　　中子源。如果將釷嵌入低濃縮鈾的核反應堆中，只要設計得當，就可以改造成為鈾釷混合的核反應堆，高的中子通量不但夠維持鏈式反應的需要，而且還有足夠多的中子讓更多釷-232原子核變成鈾-233，實現(xiàn)可裂變物質在堆內(nèi)的不斷增殖；或者，將這種反應堆設計成讓新生成的鈾-233一起就地參與鏈式反應而被利用。國際上有一種主張認為，改造現(xiàn)在已經(jīng)成熟運行的，總比重新設計新的要得心應手得多，況且也較為節(jié)省。印度科學家就有這樣的設計。還有一家名為Lightbridge的公司，它的設計是：在堆芯位置放入一些濃縮鈾棒作為產(chǎn)生鏈式反應的“種子棒”，外圍則是由氧化鈾和氧化釷混合原料制成的棒所包圍(見圖2)。這樣，鏈式反應持續(xù)進行的同時，實現(xiàn)了利用釷使燃料增殖并同時就地參與鏈式反應，使反應堆的輸出功率提高了三分之一。
　　
　　釷基熔鹽增殖堆
　　另外一種設計稱之為熔鹽增殖反應堆。上溯到20世紀50年代至60年代末，美國橡樹嶺國家實驗室的科學家曾率先開拓研究利用液態(tài)氟化釷為主要燃料的釷基熔鹽核反應堆，做了很多非常重要的工作，這個實驗性反應堆從1964年到1969年還成功運行了5年之久。今天，一些國家特別是俄、印兩國科研機構又加強了對它的研究與開發(fā)。2011年初，我國中科院宣布計劃用20年左右時間自主研發(fā)釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)，引起了世界的廣泛注意。
　　這里說的是為了提高熱效率而運行在高達700度高溫下的、沒有燃料棒的釷基核反應堆的其中一種設計(見圖3)。釷基燃料(例如液態(tài)氟化釷和氟化鈾燃料的混合物)是用來制造并增殖可裂變物質鈾-233的，它被混合在主回路的氟化鹽冷卻劑中，成為一種熔融狀態(tài)的混合鹽類物質。這種含有核燃料的冷卻劑運行時只在途經(jīng)優(yōu)化設計的堆芯處達到臨界。它的好處是不需設計燃料棒及其機械安裝部件，不但可以簡化堆芯結構，而且燃料的核反應均勻分布，還可以在運行的同時就進行核燃料的后處理。
　　常規(guī)的沸水堆型、壓水堆型核電站里，主回路的冷卻劑是水，為了提高核電站的熱效率，就要讓水在好幾百度高溫而又不沸騰的工作狀況下帶走鏈式反應熱，這只有在增大主回路壓力的條件下才能實現(xiàn)。這樣一來，主回路在高壓力下運行就有潛在的爆炸危險。現(xiàn)在設計的釷基熔鹽堆采用的熔鹽本來就是在高溫下才融化而成流動狀態(tài)的，所以主回路就不必增壓了，在大氣壓狀態(tài)下就可以運行，于是這種堆對主回路里的泵和管道的機械性能要求低多了，運行安全自然就有了保障。
　　為了將主回路的放射性物質分割開的同時能將鏈式反應產(chǎn)生的熱量帶出去，這種反應堆設計了第二回路。因為是高溫，所以仍然使用同一種熔融冷卻劑，將熱量帶給發(fā)電用的第三回路(外回路)的熱交換器中(見圖3)。
　　為了保障安全運行，堆芯下方還設計了一個“易熔塞”。反應堆過熱時，這個小塞子會熔化，熔鹽就排入一個容器。此時裂變物質離開了堆芯，核反應就不會達到臨界，鏈式反應就自動停止了，非常安全。
　　當然還有很多問題需要研究。例如，要在大功率狀態(tài)下發(fā)電運行，所有用于主回路的零部件連同制造它們的材料在承受高溫的同時是否耐腐蝕、耐輻照的問題就顯得非常重要。但可以預料，隨著技術的不斷進步，一個清潔、安全、造價便宜的釷基能源系統(tǒng)將會出現(xiàn)。
　　
　　加速器驅動的次臨界系統(tǒng)(ADS)
　　從堆外制造出中子流然后注入釷基反應堆，也是啟動釷堆核反應的一種辦法。使用一臺較高能量的帶電粒子回旋加速器，將帶電粒子(質子)加速到足夠高的能量，讓它轟擊一塊鉛靶，便會釋放出中子，這些中子被注入釷堆，撞擊堆芯的釷核，就誕生鈾－233從而開始裂變的鏈式反應，這就是正在設計的ADS系統(tǒng)。它的堆芯已經(jīng)不再需要鈾-235或钚-239的參與，核能的生產(chǎn)更加清潔安全了!
　　在一般的回旋加速器里，帶電粒子在設定的磁場內(nèi)運轉，它有特定的旋轉半徑。能量越高的帶電粒子要求特別強的磁場才能確保其回旋半徑不要很大，以便壓縮設備的體積。但問題是，受關鍵部件磁鐵的材料性能所限，磁場強度的提高是有限的。這意味著高能量的帶電粒子運動必然有很大的回旋半徑，建造這樣的龐然大物就不實際了。所以這種加速器驅動的方法要行得通，必然要求加速器有較高性能。而目前能滿足這種要求的，只有一種稱為“固定磁場交變梯度”(FFAG)聚焦的同步回旋加速器，它的技術特點正是能使被加速粒子的回旋半徑大大縮小，從而使投資建造成為可能。
　　這種方法還有一個優(yōu)點，就是堆芯熔毀的事故絕對不會發(fā)生。常見的核反應堆是臨界系數(shù)大于1的系統(tǒng)。需要靠監(jiān)控系統(tǒng)時刻監(jiān)控并自動調節(jié)。但問題是一旦失控就出嚴重事故。前蘇聯(lián)烏克蘭切爾諾貝利核電站的事故，就是因為一個反應堆在很低功率狀態(tài)下運行不穩(wěn)定，超臨界失控爆炸，才導致嚴重的核災難?，F(xiàn)在的“加速器驅動次臨界系統(tǒng)”(ADS)則不同，它在沒有引入外界中子時是一個次臨界系統(tǒng)，不可能有自持的鏈式反應。只有將加速器啟動，有了強大質子流才能制造中子并向釷堆注入。當切斷質子束那一刻，釷堆內(nèi)立即沒有足夠中子，就不能產(chǎn)生足夠的裂變物質，臨界狀態(tài)無法維持，于是鏈式反應迅即自動停止。所以，這種驅動方法反而是更加安全的。
　　順便說，英國科學家準備用他們的EMMA電子束加速器來制造中子流。這部加速器就是FFAG型加速器(能產(chǎn)生20Mev的激勵用電子束流，外觀直徑大約10米(見圖4)。希望不久的將來人們能看見預期的結果。
　　以上介紹的幾種釷基核電系統(tǒng)的一個共同特點是，釷基系統(tǒng)不會發(fā)生超臨界失控爆炸事故，比鈾基系統(tǒng)安全多了。研究還發(fā)現(xiàn)，釷基系統(tǒng)運行所產(chǎn)生的核廢料數(shù)量上只有現(xiàn)行的鈾堆的極少部分，有毒的放射性廢料大大減少了。這些核廢料中只有一種是半衰期為78年的，只占全部核廢料的不到1％，只需存放300年，其后的毒性已經(jīng)很低，并不像用鈾的反應堆那樣，有的核廢料的放射性長達萬年以上。這是十分理想的!還有，釷基系統(tǒng)運轉時沒有任何產(chǎn)物適合用來制造核武器，防止了核武器制造和擴散的可能性。
　　人們自然會問：既然釷的核能應用與開發(fā)相對于鈾基核反應堆有這么多優(yōu)勢，那為什么目前沒有更多地得到利用呢?回顧一下歷史就清楚了。核能利用的發(fā)展之初，選擇發(fā)展鈾基反應堆還是釷基反應堆，曾經(jīng)有過決策。當時的大環(huán)境是以美蘇為首的兩大陣營的對立與冷戰(zhàn)，政治家們認為首要任務是加強核軍備、擁有核武器。而發(fā)展鈾基反應堆可以實現(xiàn)核能發(fā)電的同時獲得制造核武器的原料钚-239，一次性投資即可一舉兩得。所以大環(huán)境決定了研究釷堆的科學家沒有搞鈾堆的科學家那么好的運氣，無法從政府獲得足夠的財政支持，只好被迫關停相關的實驗研究。幾十年之后的今天，化石燃料枯竭、能源危機的問題日益凸現(xiàn)?；仡櫼殉纱髣莸拟櫥穗娤到y(tǒng)，其安全問題再次受到質疑，再加上鈾資源的短缺將難以應付未來能源發(fā)展的需要。在這個時候，人們又開始想到釷燃料，它的利用前景重新展現(xiàn)在人們面前。一些國家包括我國都不失時機地提出并開始研發(fā)利用釷的核能發(fā)電技術，所以我們才能看見本文所介紹的這些利用釷能發(fā)電的新方法。
　　有人曾經(jīng)對釷基熔鹽核反應堆運行時輸出的能量做過估算。如果向其加入6千克金屬釷，它全部參與核反應所產(chǎn)生的能量相當于燃燒25000噸煙煤或66000噸褐煤，相當于300千克濃度為3％的濃縮鈾在壓水堆中釋放的能量。我國是個鈾礦資源匱乏的國家，其探明儲量僅為10萬噸左右，但釷資源儲量卻很豐富，只是由于它常與稀土礦伴生，常被當成尾礦而被拋棄，造成驚人的資源浪費。被隨處堆棄的釷資源，還因其帶放射性而給當?shù)丨h(huán)境和水資源帶來嚴重污染。所以我們要盡快開發(fā)利用這一具有戰(zhàn)略價值的、寶貴的能源資源。雖然眼下利用釷能發(fā)電還只是起步階段，未來還有很多挑戰(zhàn)，但在新技術層出不窮的今天，利用釷能發(fā)電的研究和最終實現(xiàn)商業(yè)化運行的前景是十分光明的。我們期待著在未來的不長時期內(nèi)，我國將最終掌握這一系統(tǒng)所有核心技術并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，實現(xiàn)核燃料長期穩(wěn)定供應，核廢物最小化、有更好的安全性和經(jīng)濟性，為未來人類提供長期可靠的能源保障作出應有的貢獻。
　　
　　延伸閱讀：先進的FFAG加速器
　　
　　這是一種“固定磁場交變梯度”的回旋加速器。它的工作原理在1953年就提出了。自從第一個電子模型實驗之后，幾十年來沒有什么大進展，直到10年前日本KEK高能物理研究所為了研究高強度質子流的加速，成功研制了一個小的原理驗證裝置，被加速的質子束流能量從50keY加速到500keY。此后，技術不斷進步，已經(jīng)出現(xiàn)150Mev，直至2500Mev、回轉半徑38米的FFAG加速器。這種加速器的特點是被加速的帶電粒子的回旋半徑小得多，從而使加速器的商業(yè)化應用成為可能。英國EMMA電子束加速器也是FFAG加速器，用于癌癥治療，現(xiàn)在準備用于研究釷基核能發(fā)