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        核燃料、沙灘與電力:印度的長遠(yuǎn)核能計劃

        2019-03-15 02:15:48艾德·根特
        海外星云 2019年2期
        關(guān)鍵詞:核燃料核能反應(yīng)堆

        艾德·根特

        印度正投入巨資以研發(fā)核工程項(xiàng)目,包括圖中的四座重水反應(yīng)堆,位于印度南部卡納塔卡邦境內(nèi)的凱加核電廠

        一說起印度的熱帶海灘,人們可能會聯(lián)想到陽光斑駁的棕櫚樹,口感辛辣的魚肉咖喱以及蓄著“長發(fā)綹”的背包客。其實(shí),海灘上還藏著一個秘密: 沙子里含有豐富的釷??茖W(xué)家認(rèn)為,相較于傳統(tǒng)核燃料,釷更為清潔、也更加安全。

        據(jù)估計,印度的釷礦儲量達(dá)30~85萬噸,有可能是世界上釷礦儲量最多的國家。長期以來,印度一直汲汲于釷礦開采,但卻進(jìn)展甚緩。 如今核能技術(shù)再成焦點(diǎn),印度的釷礦開采事業(yè)也重新回到了人們的視野中: 去年,荷蘭科學(xué)家啟動了幾十年來首個釷反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;新興企業(yè)開始在西方國家推廣該技術(shù)。

        印度的核能發(fā)展前景依舊頗具爭議,支持者稱印度要擺脫化石燃料,只能依靠核能

        福島核泄露事故對于很多后來的核能項(xiàng)目來說都是難以跨越的陰影。但支持釷核能的人士稱,用釷發(fā)電可以大大降低反應(yīng)堆堆芯融毀的風(fēng)險

        有支持者稱,相較于傳統(tǒng)核原料,釷不僅是能夠?qū)崿F(xiàn)零碳排放,還能夠減少有害核廢料的產(chǎn)生,降低反應(yīng)堆熔化風(fēng)險。同時,釷要應(yīng)用于核武器也比較困難。 雖然可再生能源領(lǐng)域科技發(fā)展迅速,但核能開發(fā)花費(fèi)高昂,核能發(fā)電廠的安全指數(shù)以及核廢料的清潔度也未可知。因此,核能的商業(yè)化道路依舊迷霧重重。

        為了獲得可觀的穩(wěn)定能源,開發(fā)釷礦是印度的必由之路,這是由其獨(dú)特的歷史和地理因素決定的。雖然有人認(rèn)為希望渺茫,(大規(guī)模開發(fā)釷能)不切實(shí)際,但印度人口可能在2060年突破17億大關(guān),因此印度核能科學(xué)家認(rèn)為,開發(fā)釷礦用于核能有利于保障國家能源安全,實(shí)現(xiàn)零碳排放。

        “印度高度重視能源資源,”印度原子能部(DAE)前部長班納里表示,“我國占世界人口比例的1/5,要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展只能依靠本土的能源資源。”

        部分出于地緣政治的考量,如今的商業(yè)核電站都以鈾為燃料。 西方國家的核能發(fā)展與原子彈的關(guān)系密不可分,這是由于鈾的副產(chǎn)品很容易發(fā)展為核武器。劍橋大學(xué)核工程師帕克斯說:“不同的時代,人們對于核燃料的選擇可能有所不同。20世紀(jì)50年代冷戰(zhàn)剛開始的時候,人們沒有選用釷做核燃料,最終拖到了如今的和平年代?!?/p>

        與西方國家不同,印度的鈾礦儲量微薄,因此在開發(fā)核能領(lǐng)域,走上了不同的道路。 印度核工程創(chuàng)始人巴巴堅信,印度要發(fā)展長期戰(zhàn)略,就必須開發(fā)其豐富的釷礦資源。印度核能政策核心的“三階戰(zhàn)略”,也是出于這一點(diǎn)的考量。

        原子裂變會釋放巨大的核能,可以用來發(fā)電,而釷不會自發(fā)裂變。自然狀態(tài)下的釷,衰變周期十分長,衰變時釋放的阿爾法射線甚至無法穿透人類皮膚表層,因此度假的人們大可不必?fù)?dān)憂在富含釷元素的海灘上曬日光浴會有害健康。

        要將釷用于核領(lǐng)域,就要額外加入如釙等能夠自發(fā)裂變、釋放中子的元素。釷原子捕獲中子后,會裂變?yōu)殁?233。鈾-233是鈾的同位素之一。(質(zhì)子數(shù)相同,中子數(shù)不同的同種元素互為同位素。)

        2015年,辛哈接任巴納里,成為DAE部長。他說: “釷跟濕木材是一樣的。”他解釋說, 濕木材不易點(diǎn)燃,但只要放在用干柴燃燒的火爐,濕木材也能燃燒。 因此印度“三階戰(zhàn)略”的前兩步,就是要研究如何將其儲量豐富的釷變成可以點(diǎn)燃的燃料。

        喀拉拉邦的美麗海灘所蘊(yùn)藏的釷儲量為印度的總儲量之16%,如果開發(fā)得當(dāng),釷將成為印度主要的供能燃料之一

        釷反應(yīng)堆技術(shù)的第一步是利用傳統(tǒng)的鈾燃料反應(yīng)堆產(chǎn)生的副產(chǎn)品钚。然后,將生成的钚投入快中子增殖反應(yīng)堆中,與更多鈾進(jìn)行反應(yīng),產(chǎn)生更多的钚。這一步驟的目的是為了得到更多中子,中子達(dá)到一定數(shù)目后,就能夠轟擊釷,讓釷裂變?yōu)殁?233。釷反應(yīng)的最后一個步驟是把鈾-233投入釷中。隨后,熱中子增殖堆便立即啟動了,以后只需添加釷礦,核反應(yīng)堆就能一直維持正常工作狀態(tài)。

        要實(shí)現(xiàn)巴巴的遠(yuǎn)大規(guī)劃,可以說是困難重重。西方國家青睞鈾為核燃料,因此印度可以說是一意孤行。此前印度一直在開發(fā)核武器,加之其拒絕在《核不擴(kuò)散條約》上簽字,幾十年來,印度一直被各國孤立,不與其進(jìn)行核科技交流和核燃料貿(mào)易。

        辛哈表示,2008年印度與美國簽訂了民用核能協(xié)議后,上述障礙已不復(fù)存在,印度核能發(fā)展應(yīng)該會越來越快。20世紀(jì)70年代印度成功研發(fā)鈾驅(qū)動的加壓重水反應(yīng)堆(PHWR)后,研發(fā)就一直停留在第二階段,許多年來都沒有進(jìn)展。1985年設(shè)計的一款反應(yīng)增殖堆,到現(xiàn)在為止都沒有達(dá)到預(yù)設(shè)的40兆瓦發(fā)電量。而預(yù)計于今年研發(fā)完成的500兆瓦快速增殖反應(yīng)堆(PFBR),原本在2010年就要投入生產(chǎn),如今看來也是遙遙無期。

        泰米爾納德邦的社會活動家表演活埋自己,以抗議政府建造鈾反應(yīng)堆。而活埋用的沙子里則含有釷礦這種更為安全的核燃料

        開發(fā)核電項(xiàng)目外,印度還大力投資了其他可再生能源,如位于泰米爾納德邦的普尼亞瓦蘭樸蘭風(fēng)力渦輪機(jī)等

        巴納里稱,核能項(xiàng)目擴(kuò)張之前,印度還需要積累大量的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。此外,釷燃料的轉(zhuǎn)化增殖也需要一定的時間——大概在10年左右,這是因?yàn)橐ㄔ斓诙磻?yīng)堆,钚的產(chǎn)量就要翻一翻。而如果燃料是釷,周期則會更加漫長。這也就不難解釋為什么在用釷進(jìn)行裂變釋能之前,科學(xué)家要用钚事先構(gòu)建起一個過渡的紐帶。而如何從釷的反應(yīng)殘渣中提取鈾-233,是科學(xué)家亟待解決的又一難題:燃料的轉(zhuǎn)換循環(huán)過程中產(chǎn)生的另一副產(chǎn)品鈾-232會釋放放射性很強(qiáng)的伽馬射線。

        巴巴原子研究中心(BARC)的研究人員已成功進(jìn)行過這一燃料轉(zhuǎn)過程的試驗(yàn),但大規(guī)模應(yīng)用起來仍然存在問題,第一,必須建立起強(qiáng)輻射防護(hù)裝置;第二,必須研發(fā)出較為復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng),使得工人可以隔離輻射。

        印度第一座用釷作燃料的核能反應(yīng)堆——先進(jìn)重水反應(yīng)堆(AHWR)目前已經(jīng)設(shè)計完成。 但當(dāng)務(wù)之急并不是開土動工,設(shè)計負(fù)責(zé)人辛哈強(qiáng)調(diào)說,AHWR更多的是為燃料轉(zhuǎn)換循環(huán)提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),并示范其安全性。設(shè)計完成并不代表釷核能計劃已邁入第三階段,因?yàn)楝F(xiàn)階段裂變原料仍然需要人為補(bǔ)充,及獲取燃料循環(huán)的經(jīng)驗(yàn)和安全新措施。

        最終的第三階段反應(yīng)堆將是可自我運(yùn)行的熱增殖堆,先投入鈾-233和釷做啟動,其后只需補(bǔ)充天然釷做燃料就可一直運(yùn)作下去。至于如何設(shè)計出這樣一個反應(yīng)堆,目前還沒有人知道。但人們已經(jīng)達(dá)成共識,反應(yīng)堆使用熔鹽混合物同時作燃料和冷卻介質(zhì),為最理想的方案。這一構(gòu)思在中國和西方國家有著諸多擁護(hù)者;而印度已經(jīng)將其推進(jìn)到前期研發(fā)的階段。

        但印度核電站承認(rèn),至少到21世紀(jì)50年代,印度都不可能利用釷提供大量的能源。但也有人持樂觀態(tài)度。拉瑪納(M. V. Ramana)教授任職于加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué),出版過一本書介紹印度的核政策,他說:“70年來印度一直在談?wù)撯Q的開發(fā),我認(rèn)為在可以預(yù)見的未來,這個話題的熱度不會褪去?!?/p>

        他說,人們已經(jīng)對傳統(tǒng)核能的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生了懷疑。沒人會去砸錢支持開發(fā)什么兼容釷的反應(yīng)堆、混合燃料再處理等等。支持者都說釷核項(xiàng)目功在千秋,拉瑪納則認(rèn)為是言過其實(shí)了。釷核的安全性常常被人們提及,這是由于釷反應(yīng)堆不容易發(fā)生堆芯融毀的核泄漏事件; 但拉瑪納稱,除非與真實(shí)反應(yīng)堆規(guī)模等同的模擬試驗(yàn)證明有效,一切理論推斷都不作數(shù)。他補(bǔ)充道:“在切爾諾貝核電廠爆炸,福島核泄漏發(fā)生之前,我們都覺得不會出這樣的事故。”

        雖然短期內(nèi),釷裂變產(chǎn)生的鈾-232比較危險,但其輻射的類型和強(qiáng)度會隨著時間的推移而減弱,特別是在與其他同位素混合之后。帕克斯稱,長期看來,釷確實(shí)更容易儲存,釷核廢料也更容易處理。但由于目前尚未找到鈾-232的處理辦法,開發(fā)釷核無疑是撿芝麻丟西瓜。他說,釷核最大優(yōu)勢在于其難以應(yīng)用于核武器領(lǐng)域。雖然鈾-233可以用來造原子彈,但(要把鈾-232轉(zhuǎn)為鈾-233,)過程繁瑣復(fù)雜,十分雞肋。

        新德里尼赫魯大學(xué)的物理學(xué)教授拉賈拉曼說,印度核計劃的推進(jìn)同這些益處并無關(guān)系。他說:“其一部分是來源于我們體制的自豪感。”核電站長期以來都是印度國家旗艦工程,印度不會輕言放棄。更重要的是,如今在解除對印度的核孤立后,巴巴的核能自給自足理論仍然公信力十足。

        在減少煤炭使用量的同時,印度也在盡量滿足經(jīng)濟(jì)日益增長的能源需求。

        印度原子能委員會現(xiàn)任成員,DAE前部長卡可德卡說,毫無疑問,可再生能源是印度解決能源短缺問題的一大途徑。預(yù)計到2022年,印度可再生能源發(fā)電總量可達(dá)175吉咖瓦(1吉咖=109); 目前,印度的風(fēng)能發(fā)電總量已居世界第四,太陽能發(fā)電量居世界第五。只可惜風(fēng)能和太陽能不能作為整個國家持久的供電能源。他說:“除化石能源外,核能是能保證大型基底負(fù)荷發(fā)電的唯一選擇。印度的國情也決定了,基本上我們就得選用釷作為核燃料?!?/p>

        為保證能源安全能源必須自給自足這一論述有待商榷。巴巴制定印度核能戰(zhàn)略時,人們低估了全球鈾礦的儲量,認(rèn)為快速的核能擴(kuò)張會導(dǎo)致鈾礦緊缺。但自20世紀(jì)90年代以來,全球核能發(fā)電一直處于下降趨勢,鈾礦的儲量也遠(yuǎn)超過人類預(yù)期。

        英國開放大學(xué)專攻能源政策的納托爾教授說,從歷史角度出發(fā),不難理解印度為什么對釷礦如此執(zhí)著。只是鈾資源在短期內(nèi)并不會枯竭殆盡,國際市場供應(yīng)穩(wěn)定,因此能源安全不成問題。即使不使用核能,還有其他能源選擇,也可以實(shí)現(xiàn)零碳排放。他表示:“使用核能,確實(shí)是因?yàn)樗兄诰徑鈿夂蜃兣?、捍衛(wèi)能源安全,但也沒有那么顯而易見的效果?!?/p>

        印度并沒有把雞蛋都放在一個籃子里。 在發(fā)展風(fēng)能和太陽能之余,政府還新批準(zhǔn)建設(shè)12座重水反應(yīng)堆,目前已經(jīng)投入運(yùn)營的有22座,正在建設(shè)中的已有九座。此外,印度還在集思廣益,尋求俄羅斯、法國和美國的反應(yīng)堆設(shè)計方案。 但帕克斯認(rèn)為,結(jié)合目前所取得的進(jìn)展而言,印度選擇釷作為其長期保險戰(zhàn)略有其道理。他說:“印度制定了自己的長遠(yuǎn)計劃,一直都沒有放棄。這一點(diǎn)是值得肯定的。相反地,英國(沒有自己的打算)應(yīng)該受到指責(zé)?!?/p>

        至于釷在發(fā)達(dá)國家的研究前景,連印度的核科學(xué)家們都深表懷疑。 卡可德卡說,發(fā)達(dá)國家的能源消費(fèi)已無多大發(fā)展空間,而且其鈾核能發(fā)電技術(shù)也已經(jīng)基本完善,因此沒有理由突然轉(zhuǎn)向發(fā)展釷核技術(shù)。他認(rèn)為,在發(fā)展中國家,經(jīng)濟(jì)正在起飛,能源消耗量與日俱增,釷礦儲量豐富,抗核武器擴(kuò)散能力強(qiáng),因此釷能發(fā)電是印度這類國家零碳排放的基本負(fù)荷發(fā)電廠的不二選擇。

        他補(bǔ)充說:“如果要把無碳能源推而廣之,沒有核能是做不到的。而核能的進(jìn)一步發(fā)展,沒有釷也是做不到的。因此總有人得領(lǐng)頭,率先開發(fā)這一未來的核燃料釷?!保ㄕ杂鴱V播公司新聞網(wǎng))(編輯/費(fèi)勒萌)

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