四代核電站的進化之旅(三)
在新建更好更安全的第三代核電站的同時,自然也不能放任那么多現役的第二代核電站成為“不定時炸彈”。通過增設氫氣控制系統、安全殼泄壓裝置等設備,第二代核電站的安全性能也大幅升級。這里的氫氣來自反應堆過熱,核燃料棒中的金屬材料鋯在高溫下和外圍的水發生化學反應而生成。福島核事故的爆炸,正是由于氫氣泄漏到空氣中與氧氣混合所引發。當然這種爆炸不同于核武器爆炸,只是氫氣和氧氣激烈地結合成水的過程,本身并沒有放射性。
改進后的二代核電站,雖然整體上“前浪”難敵“后浪”,但基本滿足了安全要求,不至于短期內被“后浪”拍死在沙灘上。未來一二十年,隨著第二代核電站的老去,第三代核電站將取代它的主力地位。我國目前在建和規劃待建的核電站,都將采用第三代核電技術。
蘇聯建成的世界第一座核電站——奧布涅斯克實驗性核電站,已經退出歷史舞臺,并被改造成核能博物館
第四代還在襁褓中
第三代核電站的熱度還沒過去,美國能源部(DOE)又在1996年提出了以核廢物減量、節約鈾礦資源、進一步強化固有安全性為目標的第四代核電站的概念。
2001年7月,美國能源部牽頭,由美國、英國、韓國、南非、日本、法國、加拿大、巴西、阿根廷9國,成立了第四代核能系統國際論壇(GIF),中國、瑞士和歐洲原子能共同體后來也加入其中。該論壇目前確立了6種有前途的第四代核反應堆作為重點研發對象,包括3種快中子堆——鈉冷快堆(SFR)、鉛冷快堆(LFR)和氣冷快堆(GFR),以及3種熱中子堆——超臨界水冷堆(SCWR)、超高溫氣冷堆(VHTR)和熔鹽堆(MSR)。這些設計的目的是要達到大幅減少核廢料、更充分利用鈾資源、降低核電站建造和運營成本、防止放射性物質外泄的目的。
2008年10月和2009年3月,我國分別加入了超高溫氣冷堆和鈉冷快堆兩個系統的研究。超高溫氣冷堆發電效率高,余熱產量小,由于以氣代水作為冷卻劑,有利于在內陸設廠。在冷卻系統發生事故后,核燃料溫度上升速度比現役反應堆類型慢得多,進一步遠離堆芯熔化這種有嚴重后果的事故。鈉冷快堆的特點則實現了核燃料與反應產物之間的循環運轉,而且核燃料的再生速度比消耗速度更快,相當于越用越多,大大提升了鈾的利用率,還能減少高放射性廢物的產量。不過,現在為這些高大上的科技拍手叫好還為時尚早,據GIF的估計,第四代核電站最快也要到2030年才能投入商業運行。
更高目標:馴服核聚變
60多年來,核電站的實力可謂一代更比一代強,但它們無疑都是圍繞鈾、釷、钚這些重元素核裂變反應的原理做文章。如果和輕元素發生核聚變反應的原理相比,即便是當今最先進的第四代核電技術也要甘拜下風。
核聚變原料來自氫元素家族的氘和氚,在特定條件下發生碰撞,聚合成個頭稍大的氦元素。這個過程比鈾元素裂變產生的能量還要大得多,而產物只有無毒無放射性的氦氣,沒有棘手的高放射性廢物需要處理,原料的豐富程度也是鈾礦儲量難以企及的。太陽就是利用這樣的反應哺育了地球四五十億年。很遺憾,我們現在的科技水平還遠遠駕馭不了這種能量。其實,在第一座核電站問世前兩年,美國就已經率先利用核聚變原理,做成了比原子彈威力更強的武器——氫彈。但是,炸彈是沒法用來燒水做飯的,半個多世紀后的今天,人們依然“Hold”不住核聚變的野性。然而,把核聚變從毀滅性武器“馴化”成隨開隨關、火力可調的和平“爐灶”,一直是核電發展的革命性目標。
采用第三代核電技術EPR(歐洲先進壓水堆)的芬蘭奧基洛托核電站
來源:放射性工作室
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