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钍基熔盐堆——低调的中国“黑科技”

时间:2022-09-23 09:52|来源:|作者:求学星空|点击:

苏更林

看到“钍基熔盐堆”这个陌生的专业术语,你也许会说:听说过压水堆和重水堆,怎么没听说过熔盐堆?听说过铀和钚燃料,怎么没听说过钍燃料?诞生于戈壁大漠河西走廊的钍基熔盐实验堆,能否成长为我国第四代核电技术的一张“王牌”?

钍作为宇宙中最原始的核素之一,以化合物的形式存在于独居石、钇钍石和钍石等矿石之中。1828年,瑞典化学家贝采里乌斯在矿石中发现了一种未知元素。现在已经知道,这种矿石的主要成分为硅酸钍(ThSiO4)。他将该未知元素命名为Thorine,名称取自古代北欧雷神(Thor)之名。钍的元素名称和符号为Thorium(Th)。

由于钍元素多以氧化物形式存在于矿石之中,通常与稀土金属和铪等金属的氧化物共生,分离纯化非常困难。贝采里乌斯曾做过分离提纯的尝试,但得到的金属钍仍然不纯。后来,人们利用电解法才制备了比较纯的金属钍。

真正为钍带来应用转机的是它的发光性。1885年,奥地利化学家和工程师韦尔斯巴赫在研究稀土元素时,发现浸渍有硝酸钍和硝酸铈混合物的织物在被气体火焰加热时会发出明亮的光芒。这个发现对于提高当时普遍使用的照明工具—煤气灯的光效意义重大。韦尔斯巴赫把织物浸泡在含99%硝酸钍和1%硝酸铈的溶液中,然后用其制成灯罩,可使煤气灯的光亮大增。原来,用这种特殊织物制成的灯罩,其中的纤维成分在煤油蒸气喷嘴的火焰上炭化之后,会留下一个网格状的骨架。这个骨架是由吸附在纤维上的硝酸钍和硝酸铈转化而来,成分主要为二氧化钍(熔点3220±50℃)和二氧化铈(熔点2600℃)。二氧化钍被煤气火焰加热可发出白色明亮的光芒。

即便到了20世纪,电气照明发明之后,这种煤气灯罩仍然使用了许多年。在某些电子器件(如电子管、光电管等)中,钍还被应用于钨钍灯丝、热离子发射材料以及光电子材料。

20世纪50年代,钍的产量大约有90%都用在了煤气灯罩的制造上。后来,随着人们对于钍放射性的认识,含有二氧化钍的煤气灯罩才逐渐被淘汰,被氧化钇和氧化铈混合物织物灯罩所取代。

镁钍合金是近几十年才推出的一种合金材料,主要用于制造导弹和航天器零件。钍含量通常只有2%~3%,但能提高镁合金的高温性能,并改善合金的铸造性能。钍还被应用于高品质光学透镜、催化剂、特种玻璃、热敏电阻以及高温陶瓷等领域。

1944年的诺贝尔化学奖授予了德国放射化学家和物理学家哈恩。他与迈特纳等人于1938年发现了铀原子核裂变现象。尽管科学界对此次诺贝尔奖的公正性提出了质疑,但科学家还是意识到了“核裂变”的非凡意义,它把人类带到了一个崭新的原子能时代。

几千年来,从烧火做饭到金属冶炼,从蒸汽机到机动车……人们所使用的能源基本上属于化学能,即围绕原子核运行的电子的能量。至于原子核里的能量,还是一个尚未被开拓的“荒原”。核裂变的发现无疑为人类在原子核内的“拓荒”指明了方向,是人类能源利用史的一个里程碑!然而,核裂变在军事上的应用,还是让世界感受到了巨大的“切肤之痛”。

1945年,正当人们惊叹核裂变的神奇之时,美军向日本投下了两枚原子弹。其中,投在广岛的“小男孩”是一颗铀弹,利用了铀—235的核裂变。投到长崎的“胖子”是一颗钚弹,利用了钚—239的核裂变。

对钍基熔盐堆的研究起始于1946年美国空军主导的ARE(飞行器反应堆实验的缩写)项目,目的是造出核动力轰炸机。1954年,美国橡树岭国家实验室建造了2.5兆瓦的ARE。后来,随着洲际导弹的发展,该项目被终止。

1963年,核素钍的民生应用进入试验阶段。1965年,橡树岭实验室在ARE的基础上建成了8兆瓦钍基熔盐实验堆(MSRE),这是世界上第一座建成并运行的液态燃料反应堆,也是唯一成功实现钍基核燃料运行的反应堆。该反应堆大约运行了5年,积累了丰富的设计、建造和运行经验。 1971年,橡树岭实验室又完成了1吉瓦钍基熔盐增殖堆(MSBR)的概念设计。就在钍基熔盐堆风头正劲之时,美国突然削减了熔盐堆的研发经费,其中的原因可能与当时的冷战局势有关。

在当时的美国,发展核武器的动力远远大于民用核能。1976年,美国集中力量发展钠冷快堆,看中的是核燃料的利用。由于钍不适宜生产武器级核燃料,钍基熔盐堆从此被打入了“冷宫”。

其实,中国在20世纪70年代初就开始了钍基熔盐堆的研究。1970年2月8日,我國启动“728工程”。最初,这是一项以钍基熔盐堆为研究对象的科技工程,目标是实现25兆瓦钍基熔盐堆。原上海原子核研究所建成了零功率(冷态)熔盐堆。

1972年,“728工程”因任务调整改为“轻水堆”。中国大陆第一座核电站—秦山一期30万千瓦压水堆就是从这里起步的,“728”也已成为秦山核电站的代号。

21世纪的曙光初现,就让熔盐堆迎来了命运的大转折。由美国能源部牵头发起的第四代核能系统国际论坛,为第四代核反应堆筛选出了具有发展前途的六大候选堆型。其中,熔盐堆作为唯一的液态燃料堆型而受到青睐。

作为熔盐堆的好搭档,钍燃料也迎来了一个快速发展的机遇期。从21世纪初开始,中国、美国、法国、俄罗斯、日本、韩国等国家纷纷布局钍基熔盐堆研究计划。2011年,中国科学院启动“未来先进核裂变能—钍基熔盐堆核能系统(TMSR)”战略性先导科技专项。甘肃武威成为我国钍基熔盐堆核能系统的试验与示范应用基地。

在核反应堆中,中子是打开原子核并释放巨大核能的“钥匙”。在热中子反应堆中,主要是以铀—235作为核燃料进行裂变发电的(如图1)。热中子反应堆是指用慢化剂让快中子减速为热中子(或称慢中子)而进行链式反应的一种装置。

为何要让快中子减速?这是因为,裂变产生的快中子由于速度太快而难以引起铀—235的裂变,因此需要经过慢化剂减速之后才能引起铀—235裂变释放出能量。

热中子反应堆存在一个问题,那就是不能利用占天然铀数量绝对多数的铀—238。在天然铀中,铀—235仅占0.714%,而铀—238占到了99.2%以上。铀—238不能在热中子的作用下发生裂变,因此不能被热中子堆利用。为了让铀—238“变废为宝”,快中子增殖反应堆便应运而生了。快中子增殖反应堆可以通过铀—238来实现核燃料的增殖,从而把铀资源的利用率提高到60%~70%。

铀—238虽然不是实用的核燃料,但它在快中子的轰击下可以变为钚—239(如图2)。钚—239是比铀—235还要理想的核燃料,可以吸收一个快中子而发生裂变,裂变释出的能量可变成热量被利用。快堆可以持续地把铀—238转化为易裂变的钚—239等,从而实现裂变材料的不断增殖。

自然界存在的钍几乎全部是钍—232。钍—232在核反应堆中的表现与铀—238非常类似,也不是实用的核燃料,不易发生裂变反应,但它能吸收慢中子最终变成铀—233。尽管铀—233在自然界并不存在,但它是一种优秀的易裂变核燃料。

具体的转化过程为:钍—232吸收中子后首先转变为钍—233;钍—233的半衰期只有21.83分钟,会通过β衰变变成镤—233;镤—233的半衰期为27天,再通过β衰变变为铀—233。铀—233可以像铀—235和钚—239一样用作核燃料。铀—233在核裂变时发出的中子又可以进一步撞击钍—232,从而使这个循环过程得以持续。尽管在钍基反应堆中“燃烧”的是铀—233,但消耗的是钍—232。这就是钍—铀循环的基本原理。

我国为什么要选择钍基熔盐堆?这与钍基熔盐堆的固有优势是分不开的。

熔盐堆技术之所以被纳入第四代核能系统候选堆型,并且“以钍代铀”得到许多国家的响应,其深层次原因恐怕与钍基熔盐堆的安全性密切相关。

1979年3月28日发生的美国三里岛核电站事故,1986年4月26日发生的苏联切尔诺贝利核泄漏事故,以及2011年3月11日发生的日本福岛核电站事故,难免让人产生恐核心理,以至于“谈核色变”。

核电发展该何去何从?历史上发生的核事故无时不在向人们敲响警钟!我们知道,熔盐作为一种载热剂已经在太阳能集热、大规模热能存储以及大功率电池等方面发挥了重要作用。如今,它又来充当核反应堆的冷却剂角色,因此在核安全方面被赋予了新的含义。

也许,钍并不是熔盐堆的独有核燃料,然而钍基熔盐堆的组合更符合人们对核安全的追求。钍基熔盐堆中的熔盐既可作为燃料(产生热量)又可充当冷却剂(传递热量)。通常使用熔融的氟化物或氯化物盐作为冷却剂,因其传热性能好和稳定性强而具有较高的热效率。并且,钍基熔盐堆允许在低压和高温条件下工作,无需使用沉重而昂贵的压力容器,因此可提高其安全性能和降低运营成本。熔盐反应堆的固有安全性好,因无需燃料组件而杜绝了堆芯熔化事故的发生。熔盐的低蒸气压以及在环境温度中的迅速凝固,则可以防止核泄露事故的发生。钍基熔盐反应堆还可以建在地下,因此可以有效避免恐怖袭击以及自然灾害可能造成的影响。

钍基熔盐堆基于钍—铀燃料循环的工作原理,具有固有的防核扩散的优势。在传统核反应堆所产生的核废料中,因存在大量的核燃料钚—239,有核扩散的风险。钍基熔盐堆很早就因不适于生产武器级核燃料而被打入“冷宫”,恰恰说明钍基熔盐堆只能用于核能发电。

对于核电厂来说,核废料的处置也是一个大问题。钍基熔盐堆可以对核燃料和反应产物进行在线添加和在线分离处理,因此核燃料的燃烧十分充分,核废料也可以做到最少化。相较于目前使用铀—235的反应堆,钍基熔盐堆的废料只有其千分之一。

钍在自然界的分布要比铀丰富得多,储量大体上为铀的4倍。目前,我国已探明的钍资源储量约为30萬吨,仅次于印度,排在世界第二位,广泛分布在全国20多个省市和地区。其中,包头白云鄂博矿的钍资源储量就占据了全国总储量的80%左右。白云鄂博矿中的钍主要以氟碳铈矿和独居石形式存在,当然也存在其他的矿藏形式。铀是一种极为稀有的放射性金属元素,在地壳中的平均含量仅为百万分之二。尽管我国拥有丰富的铀资源,但其中大部分属于非常规铀,存在品位低、埋藏深、成本高等方面的劣势。

几十年来,我国基于铀的核工业取得了巨大的成功,庞大的核工业体系对铀的需求与日俱增。我国钍资源储量丰富,开采起来也比较容易,开采成本也会低一些,因此,做好钍资源的合理利用无疑具有重要的战略意义。并且,钍基熔盐堆采用无水冷却技术,大大降低了对水的依赖,因此在选址方面具有很大的灵活性,在内陆地区,甚至在沙漠干旱地区也能建厂。钍基熔盐堆除了高效率发电之外,还可以把热能应用于高温制氢、民用取暖以及其他工业领域。

钍作为自然界迄今发现的能量密度最高的元素之一,在世界未来能源格局中必将占有一席之地。有人预测,如果世界蕴藏的钍资源能够得以充分利用,那么足以支撑世界数千年的能源需求。

甘肃武威—一片被腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠包围的绿洲—简直就像镶嵌在古丝绸之路上的一颗“宝石”。在武威民勤县红沙岗工业园区启动的以钍为燃料的核反应实验堆,将是中国把钍基熔盐堆推向商业化的起点。搁浅半个世纪的“钍核梦”,将在这里“圆梦”……

2020年2月19日,建在上海嘉定园区的钍基熔盐堆缩比仿真装置(TMSR—SF0),调试工作取得重大进展。这是为2兆瓦液态燃料钍基熔盐实验堆(TMSR—LF1)服务的预研装置。

2020年12月18日,2兆瓦液态燃料钍基熔盐实验堆启动堆本体离线安装,首套工艺设备投入运行并实现首炉冷却盐出料。这是实验堆工程建设的一大重要进展,标志着2兆瓦液态燃料钍基熔盐实验堆进入全面建造阶段。

我国坚持钍基液态燃料熔盐堆和钍基固态燃料熔盐堆同步推进的发展战略,兼顾钍资源高效利用与核能综合利用。近期目标是建成2兆瓦液态燃料钍基熔盐实验堆和10兆瓦固态燃料钍基熔盐实验堆。液态燃料熔盐堆适合于钍—铀循环高效发电,固态燃料熔盐堆则适合于核能制氢、节能减排等核能综合利用。

按照规划,建设实验堆只是钍基熔盐堆核能系统的起步阶段,主要任务是建设一个完善的研究平台系统,并进行相关的科学研究。要把钍基熔盐堆核能系统的美好愿景变成现实图景,还需要完成实验堆到研究堆,再到示范堆和商化推广堆的“多级跳”。

在发展阶段,要建设钍基熔盐堆中试系统,全面解决相关科学技术问题。在突破阶段,要建设工业示范级钍基熔盐堆核能系统,解决相关科学技术问题,并突破关键核心技术,实现小型模块化钍基熔盐堆的产业化。至于商化应用,则需要建设吉瓦级的钍基熔盐堆发电站。

从中国发出第一度核电,到“华龙一号”走出国门,我国只用了50年就跻身世界第三代核电技术前列。面对第四代核电技术的挑战,我们期待钍基熔盐堆输出的清洁电力能早日惠及華夏大地,那是中国“钍核梦”的梦圆之时,也是“中国模式”引领核能新纪元之日。

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