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中国核电四代堆确定技术主攻方向

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来源: 作者: 2019-11-08 17:54:27

“B类先导专项国家数学与交叉科学中心正式成立,未来先进核裂变能、空间科学、干细胞与再生医学研究、应对气候变化的碳收支认证及相关问题等4个A类先导专项正式立项。”1月25日,中科院常务副院长白春礼在中科院2011年度工作会议上言及“创新2020”战略性先导科技专项时如是说。A类,指的是前瞻战略性科技专项,而B类指的则是基础与交叉前沿方向布局。

据了解,A类先导专项之一的“未来先进核裂变能”项目包括“钍基熔盐(TMSR)核能系统”、“加速器驱动的次临界堆(ADS)嬗变系统”两大内容,而通过对前者的介绍,我们已经可以依稀看到科学家所勾勒出的未来中国第四代反应堆核能系统的大致轮廓。

对核燃料供应的担忧

核能具有绿色、高效、低碳排放和可规模生产的突出优势,目前,核能正在世界范围内全面复兴——在国际上被称为“核文艺复兴”。据统计,截止到2010年10月,全世界共有441座反应堆在运行,总装机容量达到376.3GW,为全球提供大约16%的电力;法国、瑞士等18个发达国家的核电超过本国供电的20%。

大力发展核能已成为我国能源中长期发展规划的重点。目前,我国在役13个核电机组,装机容量为10.234GW,约占全国发电总量的1.5%。按照国家发展改革委的核电发展规划,2020年,我国在役核电机组将达到70座以上,占总装机容量的4%~6%以上。据估计,2030年,我国核电比例将达到约10%;2050年将可能超过400GW,超过目前全世界核电装机容量的总和。

然而,目前全世界运行的反应堆绝大多数是热堆,即由热中子引发裂变反应。热堆消耗的主要核燃料是铀235。自然界中铀235的蕴藏量仅占0.71%,其余绝大部分是铀238,占99.2%。因此,我国乃至世界核能的快速发展均面临核燃料未来能否稳定供应的严峻挑战。

钍是最佳替补

钍基熔盐堆是第四代反应堆核能系统的六种候选堆型之一,是瞄准未来20~30年后核能产业发展的需求。相比目前的主流核电技术——第三代反应堆,四代堆包括了核燃料加工技术、反应堆技术和核废料处理技术,所以称为核能系统。第四代核能系统的预定目标,是具备核燃料长期稳定供应、核废物最小化、本征安全性、物理防核扩散和经济性。

钍和铀都是核燃料,但钍不能直接使用,需要先通过核反应将其转换成铀233再使用,所以称为钍铀核燃料循环。熔盐堆(MSR)作为唯一的液态燃料堆,将天然核燃料和可转化核燃料熔融于高温氟化盐中。氟化盐同时作为冷却剂,携带核燃料在反应堆内部和外部进行循环。

熔盐堆的基本特性决定了它最适合使用钍-铀核燃料循环。使用钍-铀核燃料循环的熔盐堆称为钍基熔盐堆。钍基熔盐堆具有以下五大特点:

一是本征安全性。当熔盐堆内熔盐温度超过预定值时,设在底部的冷冻塞将自动熔化,携带核燃料的熔盐随即全部流入应急储存罐,使核反应终止。熔盐堆工作在常压,操作简单安全。熔盐堆还可建在地面10米以下,有利于防御恐怖破坏和战争袭击。

二是核燃料长期供应。对于陆地钍资源储量的估计,中科院院长路甬祥说,不太乐观地估计,钍的储藏量是铀资源的3~4倍,而如果乐观地估计,则可能达到5~8倍。我国是钍资源大国,若能够将钍用于生产核能,可保我国能源供应千年无忧。路甬祥院长同时说:“钍是稀土资源的组成部分,和其他资源混生在一起,如不利用,可能会造成低度的核辐射。”

三是核废料最小化。熔盐堆可以对核燃料和反应产物进行在线添加和在线(或邻堆离线)分离和处理,使得核燃料充分地燃烧,最终卸出的核废料很少,约为目前的千分之一左右。

四是物理防核扩散。传统反应堆所产生的核废料中,有大量易于生产核武器的核燃料钚239,因此存在核武器扩散的风险,而科学界公认钍-铀燃料循环不适于生产武器级核燃料,只能用于产生核能。

五是多用途与灵活性。小型模块化反应堆、混合能源均为未来核能的发展方向。熔盐堆是小型模块化反应堆较为理想的堆型,同时熔盐堆又是高温堆,适于用作制氢等混合能源的应用。因此,未来或可出现小型化、社区用的核能系统。

攻关尚需二三十年

研发钍基熔盐核能系统,计划要用20年左右的时间,所有技术均达到中试水平并拥有全部的知识产权,最终实现产业化。中科院制定了20年分三步走的发展规划:

2010~2015年为起步阶段,要建立完善的研究平台体系、学习并掌握已有技术、开展关键科学技术问题的研究;工程目标是建成2MW钍基熔盐实验堆并在零功率水平达到临界。

2016~2020年为发展阶段,要建成钍基熔盐堆中试系统,全面解决相关的科学问题和技术问题,达到该领域的国际领先水平;工程目标是建成10MW钍基熔盐堆并达到临界。

2020~2030年为突破阶段,要建成工业示范性钍基熔盐堆核能系统,并解决相关的科学问题,发展和掌握所有相关的核心技术,实现小型模块化熔盐堆的产业化;工程目标是建成示范性100MW钍基熔盐堆核能系统并达到临界。

中科院院长路甬祥说:“需要30年的持续攻关,这一专项才能真正转变为可能工业化和商业化的科技成果。”他特别强调,“希望在20~25年后,企业能够成为钍基熔盐核能系统发展的主角。”

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