方錦清

從美國三里島到蘇聯(lián)切爾諾貝利，再到日本福島，幾起大的核泄漏事故發(fā)生后，許多人對核電站的安全性非常擔憂，可是面臨能源短缺的問題又不得不發(fā)展核電。以德國為例，由于今年年初遭到罕見寒流襲擊，該國被迫重啟部分已經關閉的核反應堆，這令其2022年前逐步廢除核能發(fā)電的計劃面臨考驗。那么，未來有沒有潔凈而安全的核能可供選擇呢？當然有。俗稱“人造太陽”的可控熱核聚變就將是人類能源的希望，但它距離實際應用還為時尚早。因此，核裂變能仍將是21世紀的主要能源。

瞄準未來20~30年的戰(zhàn)略需求，中國科學院不久前提出4個A類戰(zhàn)略性先導科技專項，其中之一就是“未來先進核裂變能”，具體包括兩個系統(tǒng)：一是釷基熔鹽（TMSR）核能系統(tǒng)，另一是加速器驅動的次臨界堆（ADS）嬗變系統(tǒng)（或稱“強流加速器驅動的放射性潔凈核能系統(tǒng)”）。這在國際上也是處于關鍵技術研究階段的前沿熱點，為解決世界核能快速發(fā)展所面臨的“核燃料的穩(wěn)定供給”和“核廢料的安全處置”等挑戰(zhàn)帶來曙光和希望。

“釷堆”：或將改變世界能源版圖

目前全世界運行的反應堆絕大多數是熱堆，即由熱中子引發(fā)裂變反應。熱堆消耗的主要核燃料是鈾-235。自然界中鈾-235的蘊藏量僅占0.71%，其余絕大部分是鈾-238，占99.2%。按照目前估計的裂變核能發(fā)展趨勢，地球上的陸基鈾-235的儲量將與化石能源幾乎同時枯竭。因此，我國乃至世界核能的快速發(fā)展均面臨核燃料未來能否穩(wěn)定供應的嚴峻挑戰(zhàn)。

地球上的釷元素蘊藏量巨大。釷與鈾同樣可作為核燃料，但釷不能直接使用，需要先通過核反應將其轉換成鈾-233再使用，所以稱為釷-鈾核燃料循環(huán)。

熔鹽堆（MSR）是國際第四代反應堆6種候選堆型中唯一的液態(tài)燃料堆（另5種堆型為鈉冷快堆、氣冷快堆、鉛冷快堆、超高溫氣冷堆和超臨界水堆）。這種核反應堆被通俗地稱為“核爐子”，天然的核燃料和需要轉化核的燃料都被熔融于高溫氟化鹽中，熔融狀態(tài)的氟化鹽攜帶著核燃料，有點類似地殼里的巖漿，在“爐子”中燃燒，不斷輸出巨大的能量。這個“爐子”胃口很大，能夠燒更多的核燃料，封入一定的核燃料就能穩(wěn)定運行幾十年；這個“爐子”還是“雜食性”的，對燃料來者不拒，現(xiàn)有的核廢料也能夠被再利用，換發(fā)“第二春”；而且這個“爐子”還可做得非常小巧，未來既可建于大城市甚至大型社區(qū)中，也可工作于荒郊野外，為偏遠山村送去恒久的電力。這是多么誘人的美妙前景?。?/p>

熔鹽堆的基本特性決定了它最適合使用釷-鈾核燃料循環(huán)。使用釷-鈾核燃料循環(huán)的熔鹽堆故稱為釷基熔鹽堆，它具有以下幾個特點：

（1）安全性。熔鹽堆是在常壓下運行，而不是像傳統(tǒng)反應堆在高壓下工作，操作簡單安全。當熔鹽堆內溫度超過預定值時，設在底部的冷凍塞會自動熔化，攜帶核燃料的熔鹽隨即全部流入應急儲存罐，使核反應終止。由于冷卻劑是氟化鹽（同時攜帶燃料），冷卻后就變成了固態(tài)鹽，這使得核燃料既不容易泄露，也不會與地下水發(fā)生作用而造成生態(tài)災害。同時這樣也使新一代反應堆的選址變得更加自由，不限于靠近海洋，在內陸也可以建設。熔鹽堆還可建在地面幾十米深的地下，既可完全隔絕射線，又有利于防御恐怖破壞和戰(zhàn)爭襲擊。

（2）核燃料長期供應。關于陸地釷資源儲量，中科院院長路甬祥認為，不太樂觀地估計，釷的儲藏量是鈾資源的3~4倍，而樂觀地估計，則可達到5~8倍。我國是釷資源大國，若能夠將釷用于生產核能，可保我國能源供應千年無憂。

（3）核廢料最小化。熔鹽堆可以對核燃料和反應產物進行在線添加和在線（或鄰堆離線）分離及處理，使得核燃料充分地燃燒，最終卸出的核廢料很少，約為目前的千分之一左右。

（4）防核擴散。傳統(tǒng)反應堆所產生的核廢料中，有大量易于生產核武器的核燃料钚-239，因此存在核武器擴散的風險，而科學界公認，釷-鈾燃料循環(huán)不適于產生武器級核燃料，只能用于產生核能。

（5）多用途與靈活性。小型模塊化反應堆、混合能源均為未來核能的發(fā)展方向。熔鹽堆是小型模塊化反應堆較為理想的堆型，同時熔鹽堆又是高溫堆，適于用作制氫等混合能源的應用。因此，未來或可出現(xiàn)小型化、社區(qū)用的核能系統(tǒng)。

綜上所述，釷基熔鹽堆的研究和發(fā)展，無疑為“核恐慌”注入一針鎮(zhèn)靜劑，它不僅有望改變全世界的能源版圖，還寄予人類以希望，即綠色的、安全的核能并非不存在!

ADS：讓能量放大，讓弊端減少

目前常規(guī)核電存在的弊端主要有兩點，一是反應堆中的鈾資源利用率低（小于1%），二是可能導致超臨界事故造成放射性泄漏和核廢料后處理困難等問題。針對這些問題，1993年西歐核子中心的意大利物理學家、諾貝爾獎獲得者卡羅·魯比亞領導的一個小組提出了利用能量放大器獲得干凈核能的新原理，即強流加速器驅動的放射性潔凈核能系統(tǒng)（ADS）。

ADS系統(tǒng)的最大特色是將20世紀最重要的兩大核科學裝置——粒子加速器和核反應堆兩者巧妙而緊密地結合起來。其基本思想是：利用強流質子加速器產生的質子束與重靶核（如鉛）發(fā)生散裂反應，產生大量快中子以驅動次臨界反應堆來獲得能量增益。通常一個質子可以產生幾十個中子，這些中子作為中子源驅動次臨界堆，使之維持鏈式反應，并嬗變核廢料。因此ADS系統(tǒng)可以滿足核燃料增殖、核廢料嬗變及固有安全性的要求，是未來先進核裂變能發(fā)展的另外一個重要方向。

ADS系統(tǒng)具有能量放大的功能，對于以釷為燃料的快中子堆，能量放大倍數可達150。這意味著一個功率10兆瓦的加速器可以驅動功率為1500兆瓦的驅動堆式核電站。因此，驅動堆式核電站比常規(guī)核電站有明顯的優(yōu)點，已成為國際上21世紀的核能發(fā)展的一個最誘人的技術選擇和核能創(chuàng)新發(fā)展的一個方向。但是，ADS系統(tǒng)對加速器的要求比現(xiàn)有的加速器超過數十至上百倍，因此，實現(xiàn)潔凈核能系統(tǒng)要面對科學、材料和工程技術等一系列極具挑戰(zhàn)性的重大問題。

國際上迄今還沒有實現(xiàn)ADS的先例，可見其難度之大。21世紀初，在中國核工業(yè)總公司組織下，中國原子能科學院與中國科學院高能物理研究所在973項目的資助下開展了ADS合作研究。中國原子能科學院建成了我國ADS次臨界堆實驗平臺——“啟明星1號”。2005年7月18日，“啟明星1號”實現(xiàn)首次裝料，當年12月與加速器實現(xiàn)成功對接，由已有氘氚反應產生的中子來驅動“啟明星1號”。系統(tǒng)依靠外源中子維持運行，在該裝置上已經完成了外推實驗，并進行脈沖動態(tài)實驗，該項工作已取得階段性成果。

迎接“核文藝復興”

能源的未來出路在何方？世界上稱得上可利用的清潔無污染的能源有：太陽能、風能、潮汐能、水力發(fā)電和核能等，但是太陽能和風能與氣候有關，運行不夠穩(wěn)定；水能開發(fā)也已過極限了。核能以能量密度高、低碳排放、可規(guī)模生產的突出優(yōu)勢而成為唯一能大規(guī)模代替化石燃料的未來世界主要能源，目前，核能正在世界范圍內全面復興——在國際上被稱為“核文藝復興”。

據統(tǒng)計，截止到2010年 10月，全世界共有441座反應堆在運行，總裝機容量達到376.3百萬千瓦，為全球提供大約16%的電力；法國、瑞士等18個發(fā)達國家的核電超過本國供電的 20%。到2050年時，核裂變能的發(fā)電量將約占世界總發(fā)電量的50%，這也是第三次世界能源革命的總的趨勢。

大力發(fā)展核能同樣已成為中國能源中長期發(fā)展規(guī)劃的重點。目前，我國在役13個核電機組，裝機容量約10百萬千瓦，約占全國發(fā)電總量的1.5%。按照國家發(fā)展改革委的核電發(fā)展規(guī)劃，2020年，我國在役核電機組將達到70座以上，占總裝機容量的4%~6%以上；2030年，我國核電比例將達到約 10%；2050年將可能超過400百萬千瓦，超過目前全世界核電裝機容量的總和。

【責任編輯】龐云