钍会成为核电的未来吗?

2021-12-29 16:07    钍反应堆  核燃料

除非你很喜欢关于煤气灯和使其光线明亮的灯罩的琐事,否则你可能从未听说过钍,但你在未来可能会听到更多关于它的消息。这种不起眼的金属将有朝一日可以跟铀相媲美,进而成为核燃料的首选。


除非你很喜欢关于煤气灯和使其光线明亮的灯罩的琐事,否则你可能从未听说过钍,但你在未来可能会听到更多关于它的消息。这种不起眼的金属将有朝一日可以跟铀相媲美,进而成为核燃料的首选。

钍是什么?

钍由瑞典化学家Jons Jakob Berzelius于1828年发现,以北欧的雷神Thor命名。它是一种略带放射性的金属,在世界各地的岩石和土壤中都有微量存在,其中在印度和爱达荷州尤其丰富。

钍只有一种主要的同位素--232Th,它的其他同位素则只以微小的痕迹存在。这种同位素最终会衰变为铅同位素208Pb。不过使钍变得有趣的是,232Th可以很容易地吸收经过的中子然后将其变成233Th。这种新同位素会在几分钟内发出一个电子和一个反中子进而成为233Pa--一种钯的同位素。它的半衰期为27天,随后会转化为一种叫做233U的铀同位素。换言之,核燃料。

然而挑战在于对燃料和反应堆的设计,进而使其产生的233U比反应堆消耗的多。如果能做到这一点,那么钍就比铀有优势,因为铀不能产生更多的燃料或在传统反应堆中“繁殖”。另外,也有可能将钍和钚混合成一种混合燃料,然后在钚被消耗的同时产生铀。

这当中的诀窍是找到燃料的最佳混合和安排,进而可以处理中子和它们的吸收。另外,钍也会吸收快中子,所以它们也可以用于快速熔盐反应堆和其他现在正在出现的第四代反应堆,通过铀或钚燃料来启动裂变--尽管它不像238U那样好用。

钍反应堆

自1960年以来,从橡树岭国家实验室的钍基核反应堆开始已经建造了一些钍反应堆,目前还有一些研究反应堆在运行。现在,虽然钍被一些人视为能源和环境问题的千年解决方案,但因为高额的启动成本和一些技术障碍,这种方案也就无法启动。

据了及诶,发展如此缓慢的部分原因是,铀基反应堆和支持它们的基础设施在第二次世界大战后有一个长期的起步。20世纪70年代,液态金属快中子反应堆(LMFBR)的发展似乎比钍的商业应用更有发展前景,美国政府在1973年后基本上放弃了钍的研究。

等到21世纪初,该领域的许多工程师甚至不知道钍反应堆。现在,有许多不同的钍反应堆设计正在开发,特别是在印度和中国。以下是一些正在运行、正在建造或仍在绘图板上有关钍反应堆的情况:

先进重水反应堆(AHWR)

这些反应堆的中子被重水减缓或缓和,重水在化学上跟普通轻水相同,但氢原子被氘取代,氘是带有一个额外中子的氢(2H)。冷却则是通过轻水在重力驱动的水池中自然循环进行的。

由于钍会吸收中子,所以它是AHWR的一个非常好的燃料。此外,该技术已经在CANDU等重水反应堆中使用了几十年。当驱动燃料被回收的233U取代,所产生的能量就有80%来自钍循环。

印度最新的设计--AHWR-300反应堆将在孟买的巴哈原子研究中心(BARC)投产时使用钍芯。

水均匀反应堆(AHR)

水均匀反应堆(AHR)跟其他反应堆不同,它们的核盐如硫酸铀或硝酸铀溶解在轻水或重水中作为燃料源、冷却剂和慢化剂。通过使用重水,其有可能将可溶性钍盐引入其中。

沸水反应堆(BWR)

顾名思义,沸水反应堆通过煮沸冷却剂水来产生蒸汽进而使涡轮机旋转。它们的优点是设计灵活、不同长度和成分的燃料棒可以在堆芯中排列以适应钍钚燃料。在这些反应堆中,可以通过配置钍元素的方式将BWR变成一个增殖反应堆,其产生的燃料比它消耗的多,而这在热中子堆芯中通常是不可能的。

压水式反应堆(PWR)

压水式反应堆(PWR)是最常见的核反应堆之一,其使用一个设置在压力容器中的堆芯来提高水温。虽然有可能为这些反应堆生产钍燃料元件,但它们的设计不是很灵活且无法生产出大量的233U。

熔盐反应堆(MSR)

熔盐反应堆(MSR)使用加热到700°C的盐的混合物作为冷却剂和核燃料的容器。在这种情况下,氟化钍和氟化铀的混合物混合在盐中,而不是包含在燃料棒中。因为它在大气压力下运行并允许在关闭时使用被动安全系统,所以不仅使反应堆更有效率,而且还消除了对容纳反应堆的重型结构的需要。此外,该反应堆可以定期补充燃料并通过化学循环清洗副产品,而且它还有可能成为增殖反应堆。

高温气冷式反应堆(HTR)

高温气冷式反应堆(HTR)是第四代反应堆,它使用的钍基燃料是涂有热解碳和碳化硅层的鹅卵石形式,它们可以保留裂变气体,之后涂上石墨作为慢化剂,进而保护燃料免受高温影响。这些卵石床反应堆在顶部输入燃料,废卵石则从底部取出。冷却通过惰性氦气的循环发生。

快中子反应堆(FNR)

快中子反应堆(FNR)使用快中子,而非传统类型反应堆中使用的慢中子或热中子。这种类型的反应堆不需要慢化剂来运作,它可以燃烧钍,但它也可以使用贫化铀,贫化铀供应量大且相对便宜。

加速器驱动反应堆(ADS)

加速器驱动反应堆(ADS)是一个概念反应堆,可以使用跟钚混合的钍。在这种设计中,燃料被保持在一个比维持核反应所需的更低的密度。反之,燃料被一个粒子加速器产生的中子轰击。这使得它非常安全并产生非常短命的核废料,但为这样的反应堆建造一个足够可靠的加速器仍是一个主要障碍。

优势与劣势

钍作为未来的核燃料,跟铀相比有着许多优势和劣势。其中最重要的是,另一种燃料来源将极大地增加可用的能源资源。钍在地壳中像铅一样丰富,美国的供应可以满足该国一千年的能源需求,而无需像铀燃料那样进行广泛的浓缩。此外,一些钍反应堆的设计可以比目前的加压反应堆产生更少的核废料,且产生的废料比传统燃料的同位素衰减得更快。

而在硬币的另一面,开发钍核电系统将需要昂贵的开发和测试,这是很难证明的,因为铀相对便宜且建造反应堆的成本很少在燃料上。此外,仍需要铀基燃料作为启动核反应的驱动力,这意味着钍和铀的基础设施都需要被保留下来。

然后是233U的问题,由于辐射问题,233U很难被处理,因为它含有微量的232U,这是一个非常活跃的伽马射线发射器。

误解

使用钍来生产能源的想法已经吸来了一些误解,甚至是彻底的阴谋论。部分原因是许多钍反应堆的设计是先进的第四代和增殖反应堆。

这似乎混淆了一些人,让他们以为所有钍反应堆都比铀反应堆更先进且钍和增殖反应堆是同义词。在一些圈子里,这将钍提升为一种神奇的技术,据说它被黑暗势力压制得一无是处。

一个持续存在的误解是,钍无法用于制造核武器,这就是该技术被放弃的原因。如果我们谈论的是钍本身,这是真的,但它产生的233U可以且已经被用于制造炸弹,尽管它的放射性太强,除了专家之外任何人都不能处理,而且如果设计不恰当还会让233U预先引爆,进而使得武器无法正常运作。

有些人则认为,钍被尼克松政府压制是因为它无法用于生产钚,而钚可用于核武器。这并不成立,因为美国一直将民用和军用核项目严格分开。并且无论如何,民用反应堆并不适合生产武器级钚。

事实上,钍在很大程度上是由于经济原因而被放弃的--燃料的制造成本非常高,而铀在组合中仍需要。

另一个误解是,钍比铀多。虽然地壳中的钍确实是铀的三倍,但钍不溶于水,而铀可以。这意味着海洋中约有50亿吨铀,而地壳中的钍只有640万吨,而且在开采过程中会有更多的铀从地壳中浸出到海中。

简而言之,虽然钍可以为我们的文明提供数千年的动力,但如果海洋提取变得实用铀可以为人类提供动力--一直到我们不得不搬到另一颗星上,因为那个时候,太阳已经变得太老了。

然而在印度等地,钍资源丰富且容易获得,印度正在利用其本土供应来建造钍反应堆。无论如何,由于大多数先进的核反应堆都是增殖器,燃料问题可能很快就变得没有意义。

最后这一点特别重要,因为虽然钍反应堆产生的长期超铀核废料比铀反应堆少得多,但快中子增殖反应堆跟后处理相结合也有带来同样的前景。

未来

目前,钍正在复兴,眼下在荷兰进行熔盐钍技术的实验,不仅在印度而且在中国和其他地方也都有在建造着相关的反应堆。在一个越来越关注碳排放的世界里,扩大零碳核电在世界市场上的份额的呼声也变得越来越强烈。很可能随着第四代反应堆技术的投入使用,未来的能源将可能来自混合使用了铀和钍的电网。



图为技术

深圳核博会

中国核电网


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