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核能利用与核电站(九)

(2019-01-11 09:19:09)
标签:

热核反应

混合堆

聚变堆

聚变中子源

核燃料

分类: 前沿科技

混合堆概念的提出

令人十分欣慰的是,氖氚聚变不仅是一个巨大的能源,而且是一个巨大的中子源我们可以利用聚变反应室产生的中子,在聚变反应室外的铀-238钍-232包层中,生产钚-239或铀-233等核燃料这就是所谓聚变裂变混合堆,简称混合堆

混合堆是一个可供选择的堆型铀-235原子核一次裂变,可以放出2.43个中子;氖氚一次聚变,只放出1个中子,比铀-235一次裂变放出的中子少;但由于铀-235吸收中子后有一部分会变成铀-236而不裂变,所以铀-235每次平均要吸收1.175个中子才能裂变,要求铀-235质量大,如果按相同质量比较,氖氚聚变放出的中子数,是铀-235裂变释放的净中子数的43倍以上氚聚变时释放的能量,80%变成聚变时放出的中子的动能因而氖氚聚变不仅释放的中子数量多,而且释放的中子能量高铀-235裂变放出的中子能量大多为100?200万电子伏,而氖氚聚变放出的中子,能量高达140O万电子伏然而要直接利用高能量中子的这部分动能是很困难的可是从生产核燃料的角度来看,个聚变中子的作用比一个裂变中子的作用大得多这是因为高能聚变中子轰击到铀-238及钍-232靶上,可以产生一系列串级的引起中子和核燃料增殖的核过程,释放出比聚变中子能量稍低但数量增加几倍的次级中子这些次级中子,除了一部分仍可使铀-238及钍-232裂变继续放出中子外,还有一部分可以使铀-238及钍-232变成钚-239及铀-233等优质核燃料

在适当厚的天然铀靶内,一个聚变中子可以生产出22倍于它所携带的能量,并获得5个钚-239原子核由于这个原因,如果在聚变反应室外放置一层足够厚的由天然铀铀-238或钍-232组成的再生区,聚变产生的中子,就可以在再生区生产钚-239及铀-233,并释放出裂变能这个再生区又叫混合堆的裂变包层当然聚变中子也可以使再生区中的锂变成氚,补充氚的消耗根据这种考虑,早在1953年,美国劳伦斯利弗莫尔实验室的鲍威尔,就提出了建立聚变一裂变混合堆的建议正是由于使用聚变产生的中子,有可能比军用生产堆生产出更多的核武器用的钚-239,所以美前苏联英聚变研究的早期,是高度保密的后来看到这种方式一时难以成功,才互相解密,开展了大规模的国际合作

混合堆的相对优势

快堆和混合堆一样,也是同时生产能量及核燃料的工厂但和混合堆相比,快堆有3个缺点:第一,要有很大的初始装料,例如120万千瓦的“超凤凰”快堆,要装4吨核燃料;而混合堆不需要投入铀-235或钚-239等核燃料,可以直接用天然铀或核工业中积存下来的贫铀乏燃料第二,快堆倍增时间较长,要每过6年甚至30多年,才能增殖出一座相同功率的快堆用的核燃料因此一座快堆增殖的核燃料除自身消耗外,只能在积累到一定量后,“养活座快堆;而混合堆生产的钚-239或铀-233,比相同功率的快堆多几倍到十几倍,因而可以用混合堆来“养活”几倍甚至十几倍于它的相同功率的压水堆或快堆;第三,快堆和压水堆一样,都要求在实现链式反应的状态下运行;而用混合堆生产钚-239或铀-233时,不需要达到实现链式反应的条件,因而有可能更加安全

聚变堆为了获得有益的能量输出,要求聚变产生的能量,远大于为创造实现聚变的条件而消耗的能量混合堆只要求聚变产生的能量与消耗的能量差不多相等就可以了,因而它对聚变的要求比纯聚变堆容易些

目前的聚变技术,特别进展得比较快的托卡马克,虽然在个别孤立的指标上达到或接近于为设计混合堆所要求的条件,但是从工程观点来看,这些技术还远没有成熟建造聚变一裂变混合堆的首要条件,是需要有一个聚变反应室作为堆芯,它能连续而稳定地提供大量廉价的中子即使不能连续和稳定地运行,至少也应能按照需要周期地运行而目前的聚变装置,都耗资巨大,虽然有可能在短暂的时间里提供相当数量的中子,却不能连续和稳定,或按照需要周期地运行专家们估计,不经过30?40年的努力,要建造一个稳定廉价的聚变中子源是不可能的

对于以磁约束实现聚变的混合堆,从聚变区逸出的离子和中子,会使聚变反应室壁受到严重的辐照损伤反应室壁受到轰击后溅射出来的杂质,进入等离子体后又会使聚变区温度降低而熄火;对于惯性约束,反应室壁受到的Y射线及离子射线的轰击也很严重因此研究聚变区内约束等离子和实现聚变的条件,研究等离子体与聚变反应室壁的相互作用,是研制混合堆要解决的问题

混合堆的难题

由于聚变反应室壁和高温等离子体的相互作用,会使反应室壁发热目前多希望用锂或锂的化合物来冷却它,以便在冷却反应室壁的同时增殖氖估计在用锂冷却的条件下,反应室壁将达到800以上的高温,比目前钠冷快堆燃料元件包壳的使用温度高200多摄氏度如此高的温度及高能中子离子Y射线和中性原子的轰击,使聚变反应室壁的工作条件,比裂变堆中的结构材料的工作条件苛刻得多由于聚变反应室壁难以更换,为了满足经济运行的要求,希望反应室壁能长期工作,甚至工作到混合堆退役目前这种材料还没有找到因此研制反应室壁的结构材料,研究冷却剂对它的腐蚀,是实现混合堆的重要课题

对于磁约束的混合堆来说,如果采用液态锂作为冷却剂,由于它在强磁场中的磁流体阻力,要消耗大量的泵功率来驱使它流动,将严重影响其经济性的改善

如果在聚变反应室外加上裂变包层后,则上述问题更难解决这是由于裂变包层中的铀和钍在聚变反应室放出的中子轰击下,有强烈放射性对于托卡马克型聚变一裂变混合堆,如采用离子回旋加热,就会有数十甚至上百根巨大的同轴电缆要穿过裂变包层到聚变反应室这种电缆除了会减少包层覆盖率外,电缆中的绝缘材料,也可能在强烈的中子轰击下破坏目前还考虑用低混杂波电流驱动使托卡马克在接近于稳态的状态下运行如果这样,则穿过包层的波导管会使裂变包层留下不少难以屏蔽的空洞,大量中子及Y射线从空洞中泄漏,使工作人员难以接近其他类型的聚变-裂变混合堆也有类似问题

由于混合的裂变包层是在没有链式反应的状态下运行,因而一旦出现链式反应的条件,就会形成切尔诺贝利核电站那样的严重事故这是由于按照混合堆设计要求以及混合堆空间的限制,它不存在裂变反应堆那种紧急停堆保护系统

混合堆的裂变包层靠近聚变反应室一侧,由于中子通量高,因而功率比另一侧高得多与裂变反应堆相比,混合堆裂变包层的功率分布的梯度大得多,功率分布的不均匀,给混合堆的运行造成了困难

由于上述原因,不少学者认为,混合堆不仅将聚变堆和裂变堆的优点结合在一起,也将两者的困难结合在一起有的学者甚至认为,混合堆比纯聚变堆还困难但不管怎样,混合堆仍然是一个可供考虑的途径

混合堆的不同型

根据混合堆裂变包层工作方式的不同,可将混合堆分为快裂变型混合堆和抑制裂变型混合堆快裂变型混合堆就是利用聚变产生的高能快中子,在裂变包层产生一系列串级的核过程,大量生产钚-239或铀-233核燃料与此同时,由于铀-238钚-239或铀-233的大量裂变,也在裂变包层产生大量裂变热

抑制裂变型混合堆,则是在包层中放入大量的铍等慢化材料,使聚变产生的高能快中子很快慢化为热中子等能量低的中子这些中子难以使铀-238钍-232裂变,主要是使它们变成钚239铀-233通过频繁的后处理,将钚-239铀-233及时提取出来,减少它们裂变的可能性

快裂变型混合堆可以有效地生产核燃料,抑制裂变型混合堆不能有效地生产核燃料,而且过多地后处理使生产成本增加但抑制裂变型混合堆由于裂变包层中裂变几率少,裂变热的产生也就大大减少,可以简化包层内裂变热的导出问题

混合堆的发展中,需结合具体的堆型,研究堆的启动控制加料能量的传递与转换放射性屏蔽及检修等有关工程问题托卡马克虽然目前比其他聚变途径成熟,但如果用托卡马克建造混合堆,结构复杂,不便进行混合堆的总体布置,维修困难如果不采用昂贵的清除杂质的偏滤器,这种堆由于杂质的积累,再加上磁场的不稳定性,只能脉冲运行于脉冲运行,结构材料要经历温度循环和应力循环,而且冷却剂回路,要能够储存脉冲时产生的能量,以保证功率相对稳定的输出串级磁镜混合堆,由于可以稳态运行,为实现聚变而消耗的能量的利用效率高,便于检修和屏蔽,将可能是有前途的堆型

道路曲折,目标明确

科学技术的发展过程中,会遇到困难,发生曲折和反复,是正常的,不足为奇

在世纪之交,围绕法国“超凤凰快堆”的争论即是一例这是以中国神话一种从自己的灰烬中获得永生的鸟的名字来命名的核电站,早在十多年前就曾并入法国电力公司的电网,虽正常运转时间不长,但作为技术探索,提供的经验却是宝贵的

目前在俄罗斯日本印度等就有8座快堆,即快中子增殖反应堆正在正常运行

当然,不应当否认现在快堆发电还存在一些技术问题,但是,只要重视,问题是可以解决的从根本上讲,快堆不仅具有固有的安全性,而且具有很好的经济性与热堆核电站相比,快堆核电站对核燃料的利用率高出了60?70倍,同时快堆还能焚烧掉长寿命放射性锕系元素快堆核电站和热堆核电站能相辅相成地为人类提供安全经济和洁净的电能有远见的国家,是不会忽视对快堆核电开发的,例1995年,日本的装机容量为28万千瓦的快堆“文殊”号,就成功地进行了发电供电试验因此,日本政府1997年6月宣布,要继续推进其开发快堆和核燃料再循环计划

到2050年,中国的能源缺口将达10亿吨标准煤人们已经体会到人类大量使用碳基燃料已经成为环境污染的重要因素之加速发展包括快堆核电站在内的核电事业,是解决上述矛盾的重要途径之一在快堆技术发展上,中国也给予了高度重视,各有关主管部门给予了有力的支持,在1987年将快堆技术研究纳入了国家“863”高技术计划,列为该计划能源领域的最大项目,建成了热功率为65兆瓦电功率约20兆瓦的快中子实验堆

近十多年来,世界快堆处在低潮,主要原因,是从70年代后期开始,世界经济发展速度减缓,能源和电力增长速度也随之减缓,热堆核电站的发展相应减缓,因此作为热堆核电站后续者的快堆事业的发展也受到制约但是,各国快堆发展也不平衡,各国根据自己不同的国情采取了不同的政策在西欧的“超凤凰快堆”时起时落的争论不休中,中国作为一个核大国,仍作出开展快堆起步工作的决策是正当的

可以预期,今后相当长的时期人类仍将利用裂变能

核能存在的问题

目前核能利用存在的主要问题有:

(1)资源利用率低工业应用的是热中子反应堆核电站,虽其发电成本低于煤电,但它以铀-235为燃料,天然铀中占99.3%的铀-238无法利用

燃烧后的乏燃料中除铀-235及钚-239外,剩余的高放射性废液含大量“少数锕系核素”(MA)及“裂变产物核素”(FP),其中有一些半衰期长达百万年以上,成为危害生物圈的潜在因素,其最终处理技术尚未完全解决

反应堆是临界系数大于l的无外源自持系统,其安全问题尚需不断监控及改进核不扩散要求的约束,即核电站反应堆中生成的钚-239受控制

这4个问题中,以前两者更具实际意义

利用快中子增殖堆可以使天然铀中的铀-238转化为钚-239,成为裂变燃料用钚-239或铀-235装料启动运行数十年后,此系统可以靠铀-238达到“自持”,铀资源利用率可提高60?70倍这虽然有利于资源的利用,但另3个问题则面临更严峻的挑战而且快中子增殖堆的初始装料要以从热中子反应堆乏燃料中提取的大量工业钚库存为依托,如热堆电站未发展到相当的装机容量,快堆是不可能具工业应用规模的,而此时高放射性废液的库存已极大对高放射性废液的处置方法,目前是将其固化,经包装后埋入稳定的岩层中这种“后处理一固化一深埋”的处置方式虽然可行,但从长远看它未解决泄入生物圈的问题

因此,理想的核系统应是以天然铀(或贫化铀)作为反应堆的基本装料,并使它所产生的放射性废物在系统中被嬗变为短寿命(半衰期为几十年)或稳定的核素使系统输出的废料是短寿命低放射性废物这就是目前世界核科技界大力研究的充分利用铀资源且放射性“洁净”的核能系统这一系统的物理及放射化学基础在于:

(1)利用中子核反应使不可裂变的核转化为可裂变核,并在系统中形成一个稳定的可裂变核供应储备

利用化学分离流程,提取高放射性废液中的MA及FP,回送到系统中,在一定条件下,MA成为附加的能量供应资源,而FP则吸收中子而嬗变成为稳定核或短寿命核,即所谓的分离一嬗变(P—T)法

“洁净”核能

核科技界认为最有前途的放射性“洁净”核能系统将由中能强流质子加速器(1?1.5GeV,数 mA或更高流强)与次临界装置(热中子或快中子)相耦合,结合“原址”放射化学分离流程(在厂区就近处置,避免与外界环境接触)所构成,一般文献中称之为ADS(加速器驱动次临界装置)它由中能质子在重核上散裂反应产生的“外源”中子,使次临界装置起动,在把非裂变核转换为裂变核的过程中,一方面倍增中子输出能量,一方面留—定的中子贮备,以嬗变自生的或输入的MA或FP次临界装置的临界系数0.95左右,系统靠“外源”中子启动,因此原则上当加速器停止运行时,次临界装置即“媳火”,无临界事故问题向这个系统输入的主要是天然铀等非裂变装料,输出的是电能及短寿命低放射性废物加速器所耗电能占系统所产生电能的一小部分次临界装置中所产生的MA及FP经“原址”放射化学分离后,在适当的条件下,在系统中被嬗变,因此没有向生物圈扩散的问题如果设计适当,这个系统可运行相当长的时间(例如5?10年)而不必换料,因此该系统可有高的负荷因子

中国已建成具有世界水平的北京正负电子对撞机兰州重离子加速器以及各种供试验用的加速因此要建立中能强流质子加速器是具备足够技术力量的当然,放射性“洁净”核能系统还有些问题尚待继续研究

聚变堆计划继续前进

关于聚变堆问题目前仍有争论

俄罗斯等地的受控热核反应堆没有一个取得成功,有的科学家甚至提出现有的热核反应装置根本不可能在短期内实现持续产生聚变能的目标有鉴于此,美国国会1996年将用于核聚变研究的拨款减少了33%,美国核聚变专家小组根据资金情况建议,关闭耗资10亿美元的普林斯顿反应堆,把有限的经费投入计划中的国际热核实验反应堆中去这个由美曰和欧洲主要国家共同投入资金和技术建造的核聚变反应堆计划将在2050年建成,核聚变科学界将它看成是世界核聚变研究取得突破的新希望

由于国际热核实验反应堆还只是纸上谈兵,所以普林斯顿反应堆的关闭表明人类50年的核聚变能梦想将面临一个“无法预知的未来”

俄罗斯著名理论物理学家米哈伊洛夫认为,核能技术的成功来自其课题的具体和目标的明确,而核聚变能源技术问题“总是模模糊糊”他认为,核聚变能源将来肯定会出现,“但只有到22世纪才会出现”

不过,米哈伊洛夫的这—看法和国际热核实验堆计划大相径庭按照该计划委员会1996年夏天圣彼得堡会议的决定,2008年实验堆将建成,并开始运转,再过十几年将建设商业堆担任该委员会主席的俄罗斯权威核物理学家俄罗斯科学院前副院长维利霍夫1996年也曾再次预言,再过30?40年核聚变能源将成为现实

无论如何,这项工作是要持之以恒开展下去的,因为它是解决人类未来能源的希望

在中国,环流器实验技术实验室在核工业西南物理研究院于1997年通过了中国核工业总公司主持的验收从而,中国第一个受控核聚变研究重点实验室即告建成

核工业西南物理研究院1984年建成中国环流器一号,1995年建成中国环流器新一号以来,开展了大量研究工作,取得了大批科研成果其等离子体电流等离子体密度及温度放电持续时间等参数,以及等离子体诊断技术数据采集与处理能力和等离子体辅助加热技术等方面的综合能力均处于国际同类型同规模装置的先进行列

进入21世纪以后,日本政府原子能委员会决定,力争把国际热核聚变实验反应堆(ITER)建在日本国内目前反应堆正在日本俄罗斯和欧盟的一些国家进行技术设计,预计真正建成并开始实验运转要到2013年,其技术可行性还要根据运转实验结果而定

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