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熔盐反应堆重回研究视野

2015-9-9 20:04| 发布者: admin| 查看: 1473| 评论: 0|来自: 中国能源报

  美国《大众科学》杂志日前刊文介绍了麻省理工大学两位年轻科学家莱丝莉·德万和马克·马修对核能发展的一些理念,其中提到了熔盐反应堆。

  20世纪60年代,美国科学家们聚集在田纳西州的橡树岭国家实验室里针对熔盐反应堆进行了大量试验。然而,由于经费问题,以及轻水反应堆逐渐成为行业标准,熔盐反应堆逐渐被人们遗忘。

  两位科学家对此感到不可思议。因为熔盐反应堆比今天所用的轻水反应堆更加安全。熔盐反应堆用的不是固体铀燃料而是液体燃料,从而降低了核反应堆堆心熔毁的可能性。

  年轻一代科学家更关注气候变化,往往愿意重新审视核能,这让他们觉得熔盐反应堆不应该被冷落。然而,要与廉价的煤炭和天然气竞争,新型反应堆必须要更安全更高效。


  他们认为,在轻水反应堆中,带有铀块的燃料棒浸没在水中,使中子速度减慢导致核裂变,使燃料棒发热,而被加热的水就带动蒸汽涡轮产生电能。这一体系虽然可以达到目的,但是存在两个问题。

  第一个问题是,核裂变产生的像氪和氙这样的有毒气体会在燃料棒上积聚,这些气体会消耗中子,最终导致裂变反应中止。所以,燃料棒必需每隔大约四年更换一次,但这时还有96%的能量未被使用,因此产生的高放射性核废料,必须永久存储在安全的地方。另一个问题是,轻水反应堆需要电能把冷水不停地送到放有燃料棒的反应堆堆芯,以防止过热现象发生。

  作为核裂变反应堆的一种,熔盐反应堆(MSR)的主冷却剂是一种熔融态的混合盐,它可以在高温下工作(可获得更高的热效率)时保持低蒸汽压,从而降低机械应力,提高安全性,并且比熔融钠冷却剂活性低。

  而且,熔盐反应堆使用的燃料是铀盐,加热超过500°C时,燃料盐由固态变成液态,液态盐流经氢化锆,使中子速度减慢,导致核裂变产生热量。由于不使用燃料棒,氪和氙不会积聚,而是不断被排出。熔盐反应堆被形容为“一个炖锅”,可以几十年如一日地一直运转。这就是熔盐反应堆可以达到96%燃烧率的原因,能够把铀留在里面,而不停地排出导致核反应中止的有毒气体。燃料盐流经一个带有排泄口的圆环,排泄口用防冻塞(电致冷的冷冻盐块)封闭。如果反应堆停电,防冻塞就会熔化,燃料会排入槽箱,冷却凝固。

  目前,在美国尽管还没有熔盐反应堆应用到核电站中,但原子能转换(Transatomic Power)公司正在研究一种新型的熔盐反应堆。在其看来,传统轻水反应堆只能燃烧4%的燃料,而新熔盐反应堆可以燃烧96%的燃料。

  此外,这种反应堆理论上完全不会发生事故,且可以使用其他反应堆用过的燃料。据了解,现在美国有将近8万吨的放射性核废料,每年的增长量为2000吨,所以新熔盐反应堆能够变“毒”为宝。

  一些研究人员也认为,如今美国所有使用中的商用核反应堆都是轻水反应堆,一旦发生事故,这种单一模式会影响整个核工业的发展。“可以说,把轻水反应堆用于商用核能,只是早期技术上的权宜之计,但却把美国和全世界困在了一种技术上。”研究人员指出。

  麻省理工大学核科学与工程系主任理查德·莱斯特称熔盐反应堆为“与众不同”的反应堆。不过,要实现真正意义上的应用,要走得路还很长。他介绍,今后三年,莱丝莉·德万和马克·马修两位科学家将对未来核裂变极端条件所需的材料进行试验。他们在实验室中将可以用作反应堆管道、泵和阀门的材料——金属和陶瓷被放在一个冰箱大小的熔炉里,放入盐中进行高温试验。下一步将设计建造一个20兆瓦的示范反应堆,有望在2020年投入运行。最终目标是建造520兆瓦的商用反应堆,预计建造费用为17亿美元,仅为轻水反应堆的一半。

  尽管如此,美国核管理委员会并不打算批准这种先进的反应堆投入生产。目前政府部门的规章制度使得开发商没有办法说“我们想申请批准这个项目”。这将阻碍项目投资。

  但在中国,中国政府近几年已为中科院下属的上海应用物理研究所划拨约4亿美元,用于开发两座熔盐反应堆。而今年初,美国能源部计划和中国政府签署为期10年的合作协议,帮助中国在此期间至少建成一座熔盐反应堆。

  橡树岭国家实验室核能工程师杰斯·盖因表示:“中方将实施这项工作并和我们共享信息,我们也将派遣专家为他们提供支持。他们将建立一座反应堆。希望美国也能建一座,但在这方面还没有具体计划。”

  实际上,中国在2011年初就提出这项计划,并曾制定2015年首先建成微型实验堆,到2024年建起成熟演示堆的目标。公开信息显示,该演示堆的装机容量定为10万千瓦,符合核能小型化的新兴趋势。随后,在第一个熔盐反应堆的基础上,中国将在10-20年内建成第二个改进型反应堆。

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