核電技術(shù)發(fā)展前景與瓶頸

莫志涵

摘 要：核電技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已形成較為完整的體系。主要為核裂變技術(shù)應(yīng)用，對于核聚變，尚未有有效的使用方法。而對于核電，也有不少人持反對態(tài)度。而核電是否能得以發(fā)展，根據(jù)目前的研究進(jìn)展及人們對清潔能源的需求產(chǎn)生的動(dòng)力，使該技術(shù)的前景值得期待。

關(guān)鍵詞：核電技術(shù) 裂變技術(shù) 核聚變 發(fā)展前景

中圖分類號：F062 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（a）-0064-02

1 是否有可能提高裂變技術(shù)

核裂變（Nuclear fission）又稱核分裂，是一個(gè)原子核分裂成幾個(gè)原子核的變化。裂變只有一些質(zhì)量非常大的原子核像鈾（yóu）、釷（tǔ）和钚（bù）等才能發(fā)生核裂變。這些原子的原子核在吸收一個(gè)中子以后會(huì)分裂成兩個(gè)或更多個(gè)質(zhì)量較小的原子核，同時(shí)放出2～3個(gè)中子和很大的能量，又能使別的原子核接著發(fā)生核裂變……使過程持續(xù)進(jìn)行下去，這種過程稱作鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。原子核在發(fā)生核裂變時(shí)，釋放出巨大的能量稱為原子核能，俗稱原子能。而原子能的局限在于對燃料的使用。

（1）已探知的鈾的含量尚算豐富，釷與钚也較為豐富，可以認(rèn)為燃料數(shù)量并不影響太多，關(guān)鍵在于燃料的提取。目前鈾的提取方法為浸出法，效率處于80%左右。也有各種其他浸出法，包括新研發(fā)的細(xì)菌法，但效率提高并非立竿見影。提取核燃料的技術(shù)也不可能有較為明顯的提升，畢竟燃料并非嚴(yán)重困難，提取方法改進(jìn)帶來的效率提升并不可能改變核能燃料整體的成本。

（2）核電站燃料的使用方法與熱電廠末端相差不多，通過冷卻劑驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)。在這方面上的提升空間有限，受限于冷卻劑本身的溫度與外界的熱傳導(dǎo)，汽輪機(jī)的效率限于50%左右，而效率提升重點(diǎn)在于對核燃料的使用率。燃料使用時(shí)散發(fā)熱量取決于運(yùn)行功率。而降低運(yùn)行功率會(huì)導(dǎo)致鏈?zhǔn)椒磻?yīng)無法繼續(xù)。中科院最近提出的Z箍縮聚變-裂變混合反應(yīng)堆概念可以說是行業(yè)的一大進(jìn)展。Z箍縮聚變-裂變混合堆主體部分由Z箍縮聚變堆芯、裂變包層、產(chǎn)氚包層和燃料循環(huán)系統(tǒng)等組成。在聚變堆芯中，重頻驅(qū)動(dòng)器輸出的60 MA超強(qiáng)電流，產(chǎn)生的強(qiáng)大洛侖茲力引起箍縮效應(yīng)，創(chuàng)造受控?zé)岷司圩兯璧某邷?、超高密度狀態(tài)，用以加熱并壓縮含氘氚燃料的聚變靶丸，并使其發(fā)生可控的熱核聚變反應(yīng)，輸出大量高能聚變中子；在高能聚變中子作用下，包裹在聚變堆芯周圍的鈾238發(fā)生裂變反應(yīng)，產(chǎn)生穩(wěn)定、可控的輸出巨大能量；裂變包層泄漏中子用于產(chǎn)氚，在燃料循環(huán)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)氚的“自持”循環(huán)。氚的使用也是為了提高鏈?zhǔn)椒磻?yīng)效率。而降低反應(yīng)功率可提高對于鈾的使用率。對于輕核聚變的結(jié)合，有助于真正清潔能源的研發(fā)過程上提高傳統(tǒng)技術(shù)效率，燃燒效率可達(dá)90%。當(dāng)然，投入使用仍然需要較長周期。

（3）快中子反應(yīng)堆可以說是技術(shù)思路的極大突破，發(fā)掘原本沒有利用價(jià)值的鈾238，實(shí)現(xiàn)核燃料的無數(shù)倍增。主要問題在于安全。日本“文殊”反應(yīng)堆因鈉的泄出至今已準(zhǔn)備報(bào)廢，但快中子的潛力仍有許多，相對于核聚變的遙遙無期，這已是最有希望的擴(kuò)大核電規(guī)模的技術(shù)，當(dāng)然存在許多技術(shù)問題尚未解決，難點(diǎn)主要在于剩余熱量的導(dǎo)出，以及各種工程問題。

（4）熱核技術(shù)的安全性。目前受到的關(guān)注最多。對于核電站的安全防護(hù)，主要有各種防護(hù)層，包括燃料元件包殼、壓力殼（即反應(yīng)堆冷卻劑承壓邊界）、反應(yīng)堆安全殼、廠區(qū)分隔和站外應(yīng)急設(shè)施。只有全部損壞才會(huì)導(dǎo)致安全問題，安全性相對較高。主要危險(xiǎn)也在于溫度過高后控制單元的損壞導(dǎo)致余熱無法導(dǎo)出。但總的來說，安全問題盡管不一定會(huì)出現(xiàn)，安全防護(hù)卻不能少。相比較其余發(fā)電方式，可以說核電還是較為安全的。而安全措施已較為完善，提升方式主要在于反應(yīng)時(shí)間的減少和管理水平的提升。

（5）核電設(shè)備的發(fā)展。學(xué)術(shù)上通常把核電站的組成設(shè)備稱為核電設(shè)備，各系統(tǒng)的設(shè)備約有48 000多套件，其中機(jī)械設(shè)備約6 000套件，電器設(shè)備5 000多套件，儀器儀表25 000余套件，總重約6.7萬t。一座2×600MW的壓水堆核電站約有290個(gè)系統(tǒng)，分別歸屬核島（NI）、常規(guī)島（CI）和電站輔助設(shè)施（BOP）。

核電設(shè)備是核電技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，其制造水平?jīng)Q定了技術(shù)應(yīng)用的可能性，近些年來，節(jié)能減排成為全球的焦點(diǎn)問題，核電重新進(jìn)入人們的視野，核電發(fā)展成為熱潮，也給核電設(shè)備的制造和發(fā)展提供了歷史性的機(jī)遇。我國核電工業(yè)發(fā)展較晚，從1991年我國第一座核電站—— 秦山一期并網(wǎng)發(fā)電建立以來到2008年，我國已有6座核電站共11臺(tái)機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行，2009年我國核電技術(shù)自主化捷報(bào)頻傳，首批三代核電自主化依托項(xiàng)目在此年全面開工建設(shè)。2010年開始，由沿海延伸至內(nèi)陸的許多省份都開展了核電站建設(shè)的大動(dòng)作，為核電設(shè)備發(fā)展提供了更為寬闊的領(lǐng)域。我國核電設(shè)備的蓬勃發(fā)展引起了國外的關(guān)注，俄羅斯與我國就核電開展合作，將聯(lián)合建造漂浮核電站。漂浮核電站能夠?yàn)檫呥h(yuǎn)地區(qū)提供能源，并且不怕地震，能夠幫助應(yīng)對各種有利工具。

近年來，美國、日本、法國等國的核電設(shè)備制造企業(yè)紛紛進(jìn)入中國核電設(shè)備市場。伴隨著國產(chǎn)化程度的不斷提高，核電技術(shù)的不斷發(fā)展，必然會(huì)推動(dòng)中國核電設(shè)備的不斷升級。就我國核電設(shè)備發(fā)展來看，具有良好的發(fā)展前景，而國際核電設(shè)備制造業(yè)更為先進(jìn)，并且技術(shù)和資源更為豐富，其發(fā)展前景更加樂觀。

2 關(guān)于核聚變的發(fā)展方向

熱核反應(yīng)或原子核的聚變反應(yīng)，是當(dāng)前很有前途的新能源。參與核反應(yīng)的氫原子核，如，氫（氕）、氘、氚、鋰等從熱運(yùn)動(dòng)獲得必要的動(dòng)能而引起的聚變反應(yīng)（參見核聚變）。熱核反應(yīng)是氫彈爆炸的基礎(chǔ)，可在瞬間產(chǎn)生大量熱能，但尚無法加以利用。如能使熱核反應(yīng)在一定約束區(qū)域內(nèi)，根據(jù)人們的意圖有效地控制產(chǎn)生與進(jìn)行，即可實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷朔磻?yīng)。這正是在進(jìn)行試驗(yàn)研究的重大課題。受控?zé)岷朔磻?yīng)是聚變反應(yīng)堆的基礎(chǔ)。聚變反應(yīng)堆一旦成功，則可能向人類提供最清潔而又是取之不盡的能源。

（1）熱核反應(yīng)可能的方法，上文提到的Z箍縮聚變-裂變混合反應(yīng)堆概念算是一種新的嘗試，目前主要有前景的在于托卡馬克裝置的再研發(fā)，目前最好效果為102 s，離實(shí)用還有很長的路，還有希望的方法為慣性約束，當(dāng)然也困難重重，僅處在實(shí)驗(yàn)室階段，使用至少還需50年。當(dāng)然，熱量的導(dǎo)出也是不小的難題，但相比于極大的能源總量，導(dǎo)出時(shí)可能的損失也可以忽略。至于科學(xué)界的反面典型，被鼓吹的冷核反應(yīng)，并不可能報(bào)什么希望，畢竟連已知原理的方法也較為困難，當(dāng)然也不排除科學(xué)原理的創(chuàng)新。

（2）安全性上顯然輕核比重核更加重要，但因聚變反應(yīng)本身需要的高溫，失去控制的反應(yīng)反而不易發(fā)生，最重要的在于沒有了輻射的危害，也就沒有了核廢料的處理困難，所以前景上來看，核聚變更可靠的。只是實(shí)施時(shí)間過長，不知何時(shí)才能投入使用。

（3）燃料來源與常人想法不同，盡管氘為最常見的元素，但是反應(yīng)需要的氚并不常見。幸虧通過鋰的裂變可以產(chǎn)生氚，而鋰也是極為廉價(jià)的礦物之一。才使得大力發(fā)展核聚變成為可能。當(dāng)然技術(shù)突破如果發(fā)生，直接可以使氘氘發(fā)生反應(yīng)?？傊?，原料問題并不需要考慮，也極易獲得，沒有成本問題。

（4）一旦實(shí)現(xiàn)核聚變的使用，對于世界的能源產(chǎn)業(yè)肯定會(huì)有翻天覆地的改變。只是等實(shí)施成功，常規(guī)能源也幾乎消耗盡了，可以說這也是不得不進(jìn)行的選擇。

綜合核能源的發(fā)展，最有希望的在于快中子反應(yīng)堆以及核聚變的使用，無論是慣性約束還是磁約束，都有成功的可能。而目前最可行的是快中子，突破瓶頸也是最有希望的。

參考文獻(xiàn)

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