美国第四代核电技术再度上演“起大早赶晚集” 两条腿走路奋起追
近期,全球核能领域迎来了2件大事。
首先是10月16日,在福岛核事故过去近10年后,日本方面不打算再自己解决自己造成的所有问题,要将这10年间储存下来的放射性废水全部排放进太平洋,让全世界共同为自己的错误“买单”。
尽管还没做出最后结论,但是日本官防长官加藤胜信表示,内阁会议将在10月底前正式决定。同一天,日本经济产业大臣梶山弘志也表示,政府会“尽快确定”。日媒的梳理也表明,排水入海方案其实早已确定,日本政府早想这么干了。
为了冷却出事的福岛反应堆,日本要不断向其注入海水,最初几年每天产生核废水400-500吨,即便去年开始降到170吨左右,到今年9月累积的总量也达到了123万吨。
事发之初,东电曾直接将第1批1.15万吨核废水排入太平洋,结果在事故第1个月,整个太平洋就都监测到放射性物质,第2个月还扩散到了更大的海洋区域。如果现在这超过100万吨全排进太平洋,后果不堪设想。
当然,其具体影响我们现在还不知道,真正的后果可能也要很长时间才会显现出来。而在短期内,另一件事对核电领域的影响可能要大得多。
美国能源部上周宣布,将在7年内,资助私营企业使用新技术建造2台全新的核反应堆。结合美国今年上半年发布的《恢复美国核能竞争优势》报告,这可能意味着,在过去十几年间心存顾忌的美国人,可能会重新义无反顾地投向核电的怀抱了。
在之前的文章《“华龙一号”逆袭AP 1000,见证中国核电的历史性超越》中,前瞻经济学人介绍了核反应堆技术的一些基本知识,同时也梳理了第一、二、三代核电站发展历程,以及中国如何在第3代核电技术上历史性地超越美国。
在那篇文章中,我们提到,目前的核反应堆可以按中子能谱分为热中子堆和快中子堆(FNR);而热中子堆下面,根据冷却剂和慢化剂的不同可以分成高温气冷堆(GCR)、重水堆(PHWR)和轻水堆;在轻水堆中,又能根据设计原理分成压水堆(PWR)和沸水堆(BWR)。
而在世界核能协会发布的年度报告中,也是大致将全球核电站分成了这样几种:
不过,这实际上是非常简略的分法,因为它们是要么按照中子能量,要么按照冷却剂,要么按照慢化剂区分,实际上现实中有许多交叉和重叠的部分,比如在快中子堆中也有使用气体作为冷却剂,气冷堆中也有用轻水作为慢化剂的。
按照稍微详细一些的分法,各种反应堆技术可以分成下图中的线路:
前面那篇文章已经说到,尽管是美国和欧洲共同制定了第三代反应堆技术标准,但是作为美国技术象征的AP 1000反应堆技术一开始并未达到预设标准,在2011年福岛核事故后又失去了继续发展所需的市场,反而开始落后于中国。
根据美国能源部的说法以及近期的消息,新建的2台反应堆中,由泰拉能源公司(TerraPower)和通用电气-日立核能公司共建的属于采用熔盐储能的钠冷快堆,而另一家X-energy公司的则是高温气冷堆,均属于第四代反应堆。
和第三代反应堆一样,在第四代反应堆上,美国也是占了先机的。早在1999年6月的核学年会上,美国就提出了相关概念,并在2000年牵头拉拢法国、英国、日本等核电先进国家成立了Gen-IV(第四代)国际论坛,并完成制定了Gen IV研发目标计划。
结果,他们又重复了三代堆上“起大早赶晚集”的剧情。
首先要说明的是,核电划代实际上不是个非常严格的事情,只是一个约定俗成的划分。不同代际的核电技术,未必在核心技术上有很大不同,可能只是在理念上做出了改变。
比如第三代核电站相较于第二代,技术上没有很大变化,只是在核电站整体设计上,在预防和缓解严重事故的安全性和寿命上提出了更高要求以及一些新理念。
同样,第四代核电站技术是在第三代的基础上,提出了更高的安全性和经济性标准,唯有“不依赖铀资源的先进燃料循环”这点可能比较有新意。
在具体堆型上,Gen-IV国际论坛确定了6种反应堆堆型作为发展方向,包括超临界水冷堆、高温气冷堆、熔盐堆、钠冷快堆、铅冷快堆、气冷快堆。美国这次研究的就分属其中2种。
首先科普一下钠冷快堆技术。
“快堆”全称是快中子反应堆,是和热中子(也称慢中子)反应堆对应的概念。
上世纪30年代,科学家发现一些质量非常大的原子核,像铀、钍和钚等,在吸收1个中子后会分裂成2个或更多个质量较小的原子核。这就是核裂变。
在这些大质量原子核裂变成小质量原子核的过程中,它们还会放出2个或以上数量的中子,这就会导致周围的同类原子核继续吸收原子核,继而分裂。这么一个原子核接一个原子核的核裂变反应,就是链式核反应。
不过,并不是所有中子都能和原子核反应,不同能量的中子和不同原子核的反应概率不同。在过去,大多数核反应堆都是使用铀235作为原材料,而铀235捕获低能中子的能力远强于高能中子。
所以,传统的反应堆中都要添加一种慢化剂,使之前释放出来的高能自由中子慢下来。中子慢化的原理是让中子原子核进行弹性碰撞,导致能量减少而减速。最好的慢化剂是与中子质量相近的原子,比如水中的氢原子、石墨中的碳原子等,所以水和石墨是最常见的慢化剂。
经过慢化的中子就是慢中子,更多的称呼是热中子。所以传统只用铀235为材料的反应堆被称为慢中子反应堆。
然而,在天然铀材料中,铀235的含量仅为0.72%,99.27%都是铀238。过去建设核电站,都要辛辛苦苦把天然铀提纯,使铀235的浓度达到3-4%,但这依然会留下96-97%无法处理的放射性核废料。
不过,科学家们早已发现,铀238会吸收快中子变成铀239,铀239很快会衰变为镎239,镎239又会很快衰变为钚239,而钚239是可以在快中子冲击下,发生类似铀235的裂变反应的。
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