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物理学家解读比尔·盖茨对“先进”堆的误解(上)

2021-04-25 14:11  来源:嘿嘿能源heypower    先进堆  小型模块堆  轻水堆

在埃德温·莱曼博士看来,先进堆并不先进,在他的调查报告中也从没有使用过“先进堆”这一单词。他同时认为,与其在没有完整建设、运维经验的新堆型上投入大量资金,还不如集中精力解决目前堆型存在的安全和成本问题。通过莱曼博士的访谈录,我们可以看到未来核能发展的另一种思路。


在埃德温·莱曼博士看来,先进堆并不先进,在他的调查报告中也从没有使用过“先进堆”这一单词。他同时认为,与其在没有完整建设、运维经验的新堆型上投入大量资金,还不如集中精力解决目前堆型存在的安全和成本问题。通过莱曼博士的访谈录,我们可以看到未来核能发展的另一种思路。

我们如何解决气候变化问题? 问100个人,可能会得到100个答案。 如果你问比尔·盖茨,他可能会说,为了实现气候目标,我们应转向核能。但是,虽然核能发电不会产生碳排放,但核能也确实带来了一系列其他挑战……比如资金投入、电价、安全性,尤其是如何安全处置核废料的问题,至今都没有永久性的解决方案。 今天我们邀请的嘉宾是埃德温·莱曼(EdwinLyman)博士,埃德(Ed)博士是一位物理学家,也是忧思科学家联盟(Union of Concerned Scientists)的核能安全主管。

埃德博士刚刚发布了一份探讨核能发展的“先进并不总是更好”的报告,报告对那些核电方面的新设计进行了一些独立的评析,打破了核工业界各方面的技术炒作。 通过这份报告,埃德博士希望我们不要设计和建造存在巨大风险的反应堆,也不要改进现有反应堆。

1、 三种主要非轻水堆

科琳:埃德博士你好,我们过去讨论过小型模块堆,切尔诺贝利核事故。今天,我想深入讨论一下与非轻水堆相关的问题。我知道,埃德博士刚刚发表了一份技术分析报告,对那些非轻水堆的新反应堆的安全、安保和环境影响进行了研究。首先我想问的是,这些堆型与美国目前运行的反应堆有何不同?

埃德:美国目前有94个反应堆发电,这些反应堆都使用普通水作为冷却剂,通过水将核燃料中产生的热量输送到发电系统,加热蒸汽进行发电。 我目前关注的反应堆有一个主要特点,它们不使用水来冷却,而是使用液态金属,如液态钠,也可以使用气体,如氦气,或者在某些情况下,燃料进行自我冷却。

科琳:那么,你能描述下你评估过的那些新的先进堆吗?

埃德:好。第一类反应堆主要是快堆。快堆不同于我们目前发电的其他堆型,快堆没有慢化剂。

核反应堆工作原理是,当铀燃料原子核被中子击中时,会发生裂变反应,释放能量和其他中子,其他中子会撞击其他铀核,产生新的能量和中子,发生所谓的链式反应,产生稳定的热量进行发电。

在如今常见的水冷堆中,水分子实际上减慢了中子的运动速度,当裂变产生中子时,释放一定的能量,也会产生新的中子,新中子与水分子发生碰撞,中子速度减慢,因此裂变反应也会变慢。

事实证明,水冷堆的这种设计……本质上,使裂变反应更有效率。所以水冷堆可以使用低浓度的燃料。这是我们今天设计核反应堆的一种思路。

但是在快堆里,没有一种材料可以减慢中子的速度。因此,中子都有很高的能量,这与轻水堆有着不同的特性。 事实上,这些快堆开发人员声称的一些优势,源于快中子的特性。

为了达到那个目标,就需要冷却剂,不过那些冷却剂并不会减慢中子的速度。所以,这就是为什么像液态钠这样的物质被用来冷却那些反应堆。 还有另一类,叫做高温气冷堆。

顾名思义,这种堆型不用水来冷却燃料,用的是高压气体,最常见的是氦气。用泵把氦气从反应堆容器里抽出来。氦气被加热后会被排出,再用来发电。

第三类反应堆与其他类型的反应堆有很大不同,叫熔盐堆。

我们目前反应堆使用固体材料作为燃料——被金属包层包围的固体材料。但在熔盐堆中,燃料是液体的,一种热的熔盐——铀和其他燃料材料溶解其中。

根据该项技术的支持者所说,它比固体燃料反应堆有一定的优势。但其实也有许多缺点。

2、 先进堆并不先进

科琳:这些反应堆从什么时候就已经出现了?

埃德:其实,这些反应堆技术相当陈旧,人们却通常称之为先进堆,这并不是一个准确的描述。我们在报告中并没有用到这个称呼。 事实上,以上提到的有些反应堆在我们今天常见的轻水堆出现之前就已经构思出来。它们甚至可以追溯到20世纪40年代的曼哈顿计划,其中一些技术其实早在20世纪50年代就已经在美国和世界上其他地区进行了试验。

科琳:埃德博士,我看了报告后知道每种反应堆都有问题。现在让我们仔细看看快堆,对于快堆支持者们是如何评价的?

埃德:由于快中子的特殊性质,快堆在理论上可以在一种模式下运行,不仅可以产生自己的燃料,而且还可以为其他反应堆产生额外燃料。这就是所谓的快中子增殖反应堆,这也是为什么曼哈顿计划的科学家们在这个堆型的开发上花费大量时间的原因,简直是“梦之堆”。

他们认为,这种堆的燃料用之不尽,而且不用使用铀资源。铀资源应该保存下来制造核武器。 在人类的核能时代初期,人们普遍认为铀是一种非常稀缺的资源,美国不择手段收集铀矿来制造核武器。所以,如果有一个反应堆可以自己生产燃料,显然可以节约很多铀矿。 而快堆的另一个潜在优势是,可以使用其他类型的燃料,特别是现有反应堆产生的乏核燃料。

乏燃料半衰期非常长,本身存在的放射性会在周围环境中存在数万年或数十万年。在目前的反应堆中,核燃料利用效率并不高,产生的乏燃料只能作为核废料处理。而快堆实际上可以消耗掉乏燃料。所以,快堆有时也被称为燃烧器反应堆。快堆支持者声称,快堆能燃烧乏燃料,完全解决核废料问题。

科琳:那么快堆有什么问题呢?

埃德:首先,快堆并没有那么夸张,实际上它并没有真正达到所宣传的那种效果,只是在理论上,快堆可以作为增殖体或燃烧器运行。

我在报告中讨论过,如果你了解真实电力系统中的真实系统,以及这些反应堆是如何工作的,那么要进行一些改进就需要非常,非常长的时间。现在的乏核燃料只能储存起来,需要很长时间才能真正开发出比现有系统更有效率的燃料。

因此,声称快堆可以燃烧乏燃料或有效增殖新钚是不现实的。因此,好处不是很好,但风险是非常重大的。 因为无论哪种情况,增殖反应堆或燃烧反应堆都需要对乏燃料进行再处理,为反应堆生产新的燃料。再处理是一种技术,把核废料,乏燃料经过化学过程,提炼出核燃料,这些核燃料主要是钚,也可以分离出其他不能在反应堆中回收的放射性废料。

这其中有个问题,钚除了是一种潜在的核燃料外,还是一种核武器材料。所以,当把它从乏核燃料中分离出来时,实际上已经造成了核武器扩散风险。一些小国或恐怖组织很容易获得这种物质。因此,从核扩散的角度来看,任何使用后处理技术的核动力系统,都比我们现在使用的轻水堆(不对乏燃料进行后处理)系统本身更危险。此外,快堆还存在严重的安全问题,支持者们喜欢对此进行掩饰。例如,我们都熟悉的切尔诺贝利核事故。

切尔诺贝利灾难的主要原因是反应堆有一个设计缺陷。在某些情况下,如果反应堆升温,这个设计缺陷会受到积极的反馈。所以,温度越高,反应堆产生的能量就越多,基本上就是所谓的大功率偏移,这种导致反应堆爆炸。其实这种情况应该极力避免。

事实上,今天美国的轻水堆在设计上更加先进,如果反应堆升温,核反应就会停止。

但是,快堆通常更像切尔诺贝利核事故中的反应堆,如果快堆加热,液态钠冷却剂开始沸腾,发生越来越多的裂变。

因此,反应堆的功率可以在几秒钟内增加100倍,极可能发生堆芯熔毁,甚至核爆炸。快堆在安全方面十分不稳定。

科琳:目前建造的快堆,是理论上的,还是为了进行实际测试而建造的?

埃德:在美国和其他国家,人们对快堆非常着迷。事实上,第一个快堆是1951年在美国建造的。而美国、苏联,包括如今的俄罗斯、英国、法国、日本、印度等地,都有多个示范试验快堆项目,其中大部分都在印度。而这些反应堆的实际情况也非常复杂。

你知道,任何一个调皮的高中生都试过液态钠,钠金属与水反应十分剧烈。 事实上,如果钠接触到水或空气,可以燃烧。所以,这其实是在核反应堆里使用一种潜在的易燃冷却液。 因此,为避免发生火灾,开发人员必须投入资金研究各种额外的安全系统,以确保他们能够检测到是否存在钠泄漏。这确实是影响世界各地快堆可靠性的最大问题之一。 这些反应堆总体上——无论是燃料方面,还是安全系统——都没有真正得到验证。 (未完)



图为技术

深圳核博会

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