核反应堆燃料钍为什么比铀更合适,这背后隐藏着哪些物理原理?

2022-02-17 16:45  来源:腾讯新闻客户端自媒体    核反应堆  钍反应堆  核燃料

在未来的几十年里,核能将是世界的主要能源,并且它是零排放的。但是,有些人想到切尔诺贝利事件以及福岛核事故之后,会觉得核电站是一种危险的存在。然而,有了钍之后,核电站的危险性就会大大减少。在可预见的未来,钍将转变我们对核能的范式。这背后有着怎样的物理机制与技术突破?


在未来的几十年里,核能将是世界的主要能源,并且它是零排放的。但是,有些人想到切尔诺贝利事件以及福岛核事故之后,会觉得核电站是一种危险的存在。然而,有了钍之后,核电站的危险性就会大大减少。在可预见的未来,钍将转变我们对核能的范式。
 
这背后有着怎样的物理机制与技术突破?让我们从基础讲起。

核能的物理机制

当你把较重的原子分裂成两个较轻的原子时,会释放出大量的能量。例如,铀的一种同位素铀-235是很好的裂变材料,当它受到中子的撞击时,它会分裂成三个中子和两个较轻的粒子:钡-141和氪-92。然后这些中子又可以去撞击其它铀-235,继续发生着核反应。通过这种方式,它可以形成连续的链式反应,产生越来越多的能量。
 
 
这种能量是从哪里来的?如果我们考虑铀-235和入射中子的质量之和,我们会得到236.053个原子质量单位。然后我们把反应后的产物的质量加起来,只会得到235.867个原子质量单位,前后相差了0.186个原子质量单位。根据爱因斯坦质能方程,前后质量之差转化为了1.73亿电子伏特的能量。
 
更深入一点的问题是,这些质量最初从何而来,为什么可以转化为能量?正如我们在之前关于太阳如何发光的文章中所讨论的,这完全是于与强核力相关的结合能。在这种情况下,结合能是指打破原子核中质子和中子之间的键所需的能量。换句话说,要使质子和中子如此紧密地结合在原子核中,需要大量的能量。这来自于宇宙的一种基本力,叫做强核力。这种使质子和中子结合在一起的力或能量贡献了原子的质量。因此,当原子核分裂时会损失一些质量,因为保持原子核结合在一起所需的能量更少了。这就是转化为能量的质量的来源。
 
打破原子核键所需要的能量越多,原子的结合能就越高,具有较高结合能的原子比具有较低结合能的原子更稳定。从低结合能到高结合能就释放了能量,它是原子核分裂过程中释放的结合能之差。铀的结合能比氪和钡的结合能还低,当铀分裂时,系统的整体结合能增加,这意味着钡和氪处于更稳定、更低能量的状态。
 
 

核废料问题

核反应堆中的铀-235燃料最终会转化为废料,如钡、氪和元素周期表中的其它元素。问题是这些废料通常是这些元素的放射性同位素,而它们的放射性会对人类造成威胁。然而,这并不是核燃料最成问题的部分,因为这些废料的半衰期通常很短,通常在几天或30年之间,因此这些废料会在几年之内变成稳定同位素,相对安全。

 
 
使用铀作为燃料的更大问题是,它们还会通过嬗变产生其它废料。嬗变是指一种核素吸收一个质子或一个中子,变成一种不同的核素。当我们从地球上开采铀矿石时,它主要由更为丰富的铀-238组成。在天然铀矿中,只有大约0.7%是铀-235,这也是我们必须对天然铀进行浓缩的原因,也意味着反应堆中的铀燃料大部分是铀-238。铀-238也会吸收中子,但并不会分裂,而是嬗变成更重的元素,如钚。问题是这种钚不仅毒性很大,而且它还可以用于核武器。
 
 
国外许多人反对核电站,其中一个主要的原因就是核废料产生的钚可以制造大规模杀伤性武器。还有重要的一点是,由铀-238嬗变产生的重元素中,大多数半衰期都非常长,这意味着我们不得不将这些核废料埋在地下数百年甚至数千年,我们的安全才得以保证。这是核废料的大问题,也是人们不喜欢核电的一个重要原因。

钍为何比铀更优秀

钍比铀丰富得多,据统计,地球上的钍是铀的3倍多。不仅如此,我们还可以比铀更高效地使用钍做燃料,据测算,一吨钍产生的电力能与200吨铀相媲美。这是因为,核反应堆即使使用浓缩铀,也只有3%-5%的铀-235,剩下的不仅被浪费了,而且还会嬗变成更危险的核素。但是对于钍来说,我们基本可以把它全部消耗掉,并且它的开采更安全、更高效,因为含有钍的棕色矿石独居石比同等铀矿石浓度更高,不需要昂贵的富集过程。
 
 
既然钍比铀更好,为什么核反应堆不大量使用钍而使用铀?首先,是设计和建造新核反应堆的技术困难。其次,钍是可育的而不是可裂变的,这意味着钍的使用方式必须与传统铀核电站不同。为了让钍发挥作用,必须要使用一种增殖反应器,这是一种用非裂变材料制造燃料的反应堆。
 
在这个反应堆中,天然存在的钍-232吸收了一个中子变成钍-233。然而,这种同位素并不是很稳定,它会经历β衰变成为镤-233。同样,这种同位素也是不稳定的,它将再次经历β衰变成为铀-233。我们从钍开始,绕了一圈又回到了铀。但与传统铀核电站不同的是,生成的铀都是可裂变的,没有铀-238的问题。最终,钍将全部转化为铀-233作为燃料消耗殆尽,也不大会产生相对危险的放射性废物。

 
 
在使用钍这方面,我国处于领先地位。去年,我国完成了世界首个新的钍熔盐反应堆。它只能在高温下工作,一旦发生意外,燃料就会自动凝固阻止核反应的继续发生,从而保证了安全。


图为技术

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