福島核危機(jī)，讓全世界對核電安全充滿了擔(dān)憂。德國等一些國家甚至宣布要在不久的未來放棄使用核能。
尋找更清潔、更安全的能源獲得方式，成為人們更加關(guān)心的問題。不久前，英國《每日郵報(bào)》報(bào)道說，世界上已知的釷元素儲量可以至少為全球提供1萬年的能源支持。目前，英國科學(xué)家們已經(jīng)在曼徹斯特南部的柴郡平原，建起了一個(gè)用于研究釷的小型加速器——EMMA，目的是尋求用釷代替鈾作為新型核燃料的方式
為解決人類未來的能源需求，人類研究應(yīng)用鈾和钚的核電技術(shù)已經(jīng)有六七十年了，雖然核電相對于煤電有其不可替代的優(yōu)點(diǎn)，但是安全性和核廢料的處置兩大問題一直引起廣泛關(guān)注。
翻開核能利用的研究發(fā)展史，我們注意到科學(xué)家早在上世紀(jì)50至70年代就研究過釷元素，它作為核燃料應(yīng)用有很多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，如果拿它來發(fā)電，既安全又綠色，是鈾和钚最理想的替代品。
儲量大、易提煉、更清潔
1噸釷能抵200噸鈾的能量
雖然釷元素本身不是裂變物質(zhì)，但研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)普通的釷-232原子核吸收一個(gè)中子就會(huì)變成釷-233，它很快就經(jīng)歷兩次β-衰變，變成鈾-233，這可是一種長壽命的易裂變物質(zhì)。
而相比于鈾元素，用釷做核燃料還有很多天然優(yōu)勢。
第一，地殼表面的釷就是釷-232，幾乎不含釷的其它同位素，在原料提取中十分方便，與從天然鈾中濃縮只占0.7%的鈾-235相比，省了非常費(fèi)事又成本高昂的一步。
第二，自然界里的釷主要存在于獨(dú)居石中，而獨(dú)居石易于開采而且比鈾礦豐富得多。據(jù)測算，天然鈾里的鈾-235只夠人類使用幾十年。除非現(xiàn)在開始投資另外建設(shè)一種增殖反應(yīng)堆，讓占天然鈾99%以上的不可裂變的鈾-238變成可裂變物質(zhì)钚-239，那才能延長天然鈾的使用年限。而有資料稱，釷的估計(jì)儲量是鈾儲量的3至4倍。
第三，釷在核反應(yīng)中能更充分地釋放能量，有資料顯示，一噸釷裂變產(chǎn)生的能量抵得上200噸鈾。研究還發(fā)現(xiàn)，使用釷來發(fā)電只產(chǎn)生相當(dāng)于傳統(tǒng)核電站0.6%的輻射垃圾。有毒的放射性廢料大大減少，而且這些核廢料只需存放三百年，其后的毒性已經(jīng)很低，不像使用鈾的反應(yīng)堆那樣，有的核廢料放射性長達(dá)萬年以上。
因?yàn)樽匀唤缋锎嬖诘拟Q幾乎全部是不可裂變的釷-232，如果要建造一個(gè)使用釷作為燃料的“釷基反應(yīng)堆”，必須讓釷-232接受輻照令其轉(zhuǎn)變?yōu)殁?233，隨后鈾-233吸收中子開始它的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，目前世界上主要有三種設(shè)計(jì)思路。
思路之一
改造現(xiàn)有核電站使用鈾釷混合燃料
要想釷基反應(yīng)堆中的釷-232持續(xù)不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)殁?233，關(guān)鍵是要提供足夠強(qiáng)的中子源來輻照它?，F(xiàn)在正在運(yùn)行的核電站的鈾基反應(yīng)堆就是強(qiáng)大的中子源。如果將釷嵌入低濃縮鈾的核反應(yīng)堆中，只要設(shè)計(jì)得當(dāng)，就可以改造成為鈾釷混合的核反應(yīng)堆，高的中子通量不但夠維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的需要，而且還有足夠多的中子讓釷-232持續(xù)生成新的鈾-233，實(shí)現(xiàn)可裂變物質(zhì)在堆內(nèi)的不斷增殖。
將目前正在運(yùn)行的鈾基核電站反應(yīng)堆，改造成為使用鈾釷混合燃料或钚釷混合燃料，這是一種容易想到的思路。這種主張認(rèn)為，改造現(xiàn)在已經(jīng)成熟運(yùn)行的核電站，總比重新設(shè)計(jì)新的要得心應(yīng)手得多，況且也較為節(jié)省。一家名為Lightbridge的公司，提出了這樣一種設(shè)計(jì)思路：在堆芯位置放入一些濃縮鈾棒作為產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的“種子棒”，外圍則由氧化鈾和氧化釷混合原料制成的棒所包圍，這樣，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)持續(xù)進(jìn)行的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了利用釷使燃料增殖并同時(shí)參與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，使反應(yīng)堆的輸出功率提高三分之一。
思路之二
設(shè)計(jì)新型釷基熔鹽增殖堆
另外一種設(shè)計(jì)思路被稱為熔鹽增殖反應(yīng)堆。在上世紀(jì)50年代至70年代中，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家，就研究利用液態(tài)氟化釷為主要燃料建造釷基熔鹽核反應(yīng)堆，做了很多非常重要的工作，這種反應(yīng)堆還成功運(yùn)行了5年之久。
但在冷戰(zhàn)達(dá)到高潮時(shí)，美國政府對追求釷技術(shù)已經(jīng)失去興趣。原因很簡單：釷反應(yīng)堆無法產(chǎn)生用于制造核武器的材料钚，而鈾反應(yīng)堆在用來發(fā)電的同時(shí)就生產(chǎn)钚。有人曾經(jīng)這樣說：既然釷擁有很多明顯的優(yōu)勢，這個(gè)世界為何還要選擇鈾？答案是：在軍用和民用核能上的投入往往關(guān)系密切。
今天，因?yàn)楹穗姲踩珕栴}與未來能源發(fā)展戰(zhàn)略的大環(huán)境需要、材料和技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了釷基熔鹽反應(yīng)堆研究的復(fù)蘇，受到各國特別是我國和印度科研機(jī)構(gòu)的重視。
作為一個(gè)例子，這里簡單介紹一種運(yùn)行在高達(dá)攝氏七百度高溫下的、沒有燃料棒的釷基核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)思路。釷基燃料(例如液態(tài)氟化釷和氟化鈾燃料的混合物)已經(jīng)混合在主回路的氟化鹽冷卻劑中，成為一種熔融狀態(tài)的混合鹽類物質(zhì)。這種堆只需在常規(guī)的大氣壓狀態(tài)下就可以運(yùn)行，因此對主回路里的泵和管道的機(jī)械性能要求就低得多，使得運(yùn)行安全有了保障。為了進(jìn)一步保障安全運(yùn)行，堆芯下方還設(shè)計(jì)了一個(gè)“易熔塞”。反應(yīng)堆過熱時(shí)，這個(gè)小塞子會(huì)熔化，熔鹽就排入一個(gè)容器。裂變物質(zhì)離開了堆芯，核反應(yīng)就不會(huì)達(dá)到臨界，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就自動(dòng)停止了，非常安全。
當(dāng)然，制造這種堆還有很多技術(shù)問題需要解決。例如，要在大功率狀態(tài)下發(fā)電運(yùn)行，所有用于主回路的部件、管道的材料在承受高溫的同時(shí)是否耐腐蝕、耐輻照，就顯得非常重要。
思路之三
用加速器制造中子流注入釷堆
從堆外制造出中子流然后注入釷堆，也是啟動(dòng)核反應(yīng)的另一辦法。具體做法是使用一臺高能帶電粒子加速器將帶電粒子(質(zhì)子)加速到足夠高的能量，讓它轟擊一塊鉛靶，便會(huì)釋放出中子，這些中子被注入釷堆撞擊堆芯的釷核，就誕生鈾-233從而開始裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。這就是正在設(shè)計(jì)的“加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)”(ADS)。
在這種設(shè)計(jì)中，堆芯里已經(jīng)沒有鈾或钚的參與，這意味著核能的生產(chǎn)更加清潔安全了。這種方法要求高能粒子加速器有較高性能，而目前能滿足這種要求的，是一種稱為“固定磁場交變梯度”(FFAG)聚焦的同步回旋加速器，它能使被加速到高能量的粒子的回旋半徑大大縮小，從而使整個(gè)設(shè)備的體積大大縮小，使投資建造它成為可能。前不久英國《每日郵報(bào)》報(bào)道的EMMA電子束加速器就屬于這種FFAG型加速器。
常見的核反應(yīng)堆在“臨界狀態(tài)”時(shí)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可持續(xù)進(jìn)行，不需人工干預(yù)。但問題是一旦失控就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重事故。前蘇聯(lián)烏克蘭切爾諾貝利核電站一個(gè)反應(yīng)堆就是因?yàn)樵诤艿凸β薁顟B(tài)下運(yùn)行不穩(wěn)定，超臨界失控導(dǎo)致爆炸。現(xiàn)在的ADS系統(tǒng)則不同，當(dāng)切斷質(zhì)子束那一刻，釷堆內(nèi)立即沒有中子注入，就不能產(chǎn)生足夠的裂變物質(zhì)，無法維持臨界狀態(tài)，于是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)迅即自動(dòng)停止。所以，這種驅(qū)動(dòng)方法是非常好的安全手段，根本不必?fù)?dān)心堆芯熔毀。
延伸閱讀
中科院擬用20年
研發(fā)釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)
今年初，我國中科院宣布計(jì)劃用20年左右時(shí)間研發(fā)釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)，引起了世界的廣泛注意。
據(jù)中科院副院長李家洋表示，目前國內(nèi)已探明的鈾礦儲量比較有限，中科院正在重點(diǎn)研發(fā)采用釷元素進(jìn)行裂變的核電技術(shù)，這將有助于解決國內(nèi)核能發(fā)電的原材料瓶頸問題。
資料顯示，目前中國的鈾礦需要大量進(jìn)口，每年進(jìn)口的鈾礦在6000-8000噸之間。但是中國的釷資源儲量很高，完全可以滿足國內(nèi)長期的核電需求。
(作者為中國科學(xué)院原新技術(shù)開發(fā)局高級工程師、中國科學(xué)院老科學(xué)家科普演講團(tuán)成員)
