我国启动研制四代核能系统 为绿色发展提供不竭动力

面对能源危机、雾霾围城，核能以绿色、高效、低碳排放和可规模生产的突出优势，成为较为理想的替代能源。但是，当前核能利用过程中也存在着诸多缺陷有待克服：如核安全问题始终像达摩克利斯之剑，让公众心存顾虑；核燃料供应、核废料处理及核武器扩散等问题，也一直困扰着核能的发展。

　　虽然日本福岛核电站核泄漏事故曾引起全世界对发展核能的担忧，但人类对替代能源的追寻永远不会止步。我国科学家已经启动研制具有自主知识产权的四代核能系统，试图破解当前和未来核能发展所面临的诸多难题，为我国的绿色发展提供不竭动力。

　　钍—— 铀的超级替补

　　在包钢的尾矿坝，7万吨钍被当作下脚料一样，堆放在1.5亿吨尾矿中。可能很少有人知道，钍这种几乎被人遗忘的重金属元素也能做核燃料。这是因为，钍本身并不会像铀235那样发生裂变，只有用中子轰击它，才能将其转换成铀233再使用，被称为钍—铀核燃料循环。

　　据介绍，目前全世界运行的核反应堆绝大多数是热堆，即由热中子引发裂变反应。热堆消耗的主要核燃料是铀235。自然界中铀235的蕴藏量仅占铀蕴藏总量的0.71%，其余绝大部分是铀238，占99.2%。中科院上海应用物理研究所研究员徐洪杰介绍说：如果按照国际通用算法，未来30年核电规模为现在的7倍，那么铀235矿将在40年内用尽。

　　和铀相比，钍的优势在于资源丰富。钍大量存在于地壳表层，目前地壳中钍的探明储量约为铀的3至4倍。在我国，钍铀储量之比约为6:1，已探明的钍工业储备量约为28万吨，仅次于印度，居世界第二位。据原包头市稀土研究院院长马鹏起测算，白云鄂博矿区的钍矿资源可支撑中国能源需求5000年。

　　钍替代铀，还具有很多优势。与铀在进入反应堆之前必须经过高浓缩不同，钍是直接可利用的核燃料。1吨钍裂变产生的能量抵得上200吨铀，相当于350万吨煤炭。诺贝尔物理学奖获得者、欧洲核子研究中心前主任卡洛鲁比亚形容，一块拳头大小的钍金属，能为伦敦供电1星期。

　　钍作为核燃料，还可以避免核武器扩散的风险，更加和平地利用核能。传统铀反应堆产生的核废料中，有大量易于生产核武器的核燃料钚239，存在核扩散的风险。而科学界公认，钍—铀燃料循环不适于生产武器级核燃料，只能用于产生核能。

　　钍的诸多优势是取代铀做核燃料的重要原因，也是中科院最终选择将钍基熔盐堆核能系统（TMSR）作为首批战略性先导专项之一的理由。据介绍，先导专项定位于解决关系国家全局和长远发展的重大科技问题。其中，未来先进核裂变能专项致力于解决我国乃至世界核能快速发展均面临的核燃料的稳定供给和核废料的安全处置等严峻挑战。

　　四代堆化解三大挑战

　　熔盐堆被认为是钍资源利用的理想堆型。中科院金属研究所高级工程师董加胜介绍说，传统固态反应堆的缺点在于堆反应的复杂性。堆芯熔毁事故严重时，会导致核燃料坍缩到临界质量而导致泄漏，如乌克兰的切尔诺贝利和日本的福岛泄漏事故。如果核燃料是液态，所有问题都将迎刃而解，这也是熔盐堆出现的主要原因。

　　熔盐堆使用熔融状态的氟化盐携带着核燃料——有点类似地壳里的岩浆，在炉子中燃烧，不断输出巨大的能量。徐洪杰说，作为国际第四代反应堆核能系统研究的6种候选堆型中唯一的液态燃料堆，它具有结构简单、可以在常压下运行、燃料杂食性强等优点。新炉子可以做得非常小巧，封入一定的核燃料就能稳定运行数十年，而经过充分燃烧，理论上其产生的核废料将仅为现有技术的千分之一。

　　熔盐堆还具有诸多安全特性。当熔盐堆内熔盐温度超过预定值时，设在底部的冷冻塞将自动熔化，携带核燃料的熔盐随即全部流入应急储存罐，使核反应终止。此外，熔盐堆工作在常压下，操作简单安全。熔盐堆还可建在地面10米以下，有利于防御恐怖破坏和战争袭击。由于冷却剂是氟化盐（同时携带燃料），冷却后就变成了固态盐，这使得核燃料既不容易泄露，也不会与地下水发生作用而造成生态灾害。

　　核燃料长期稳定供应、核废物最小化处置、防止核武器扩散，是核能发展面临的三大挑战。这也是我国第四代核能系统的预定目标。相比目前的主流核电技术——第三代反应堆，四代堆包括了核燃料加工技术、反应堆技术和核废料处理技术，所以称为核能系统。

　　未来先进核能先导专项还包括加速器驱动次临界系统（ADS），它是国际公认的最有前景的处置核废料的嬗变技术之一，是未来彻底解决核废料对生物圈危害的重要技术。中科院金属研究所研究员杨柯说，相对国际上现有两种处理核废料的方式，即一次通过和闭式循环，加速器驱动次临界系统（ADS）可在闭式循环的基础上进一步利用核嬗变反应，将长寿命、高放射性核素转化为中短寿命、低放射性的核素。

　　三步走绘制路线图

　　熔盐堆材料大多需在高温、极强腐蚀和中子辐照等多重极端环境下工作，核岛内聚合物也需在辐照的条件下工作，这对材料本身提出了极其严格的要求。董加胜说，对燃料盐的包容是研究的难点之一，即使国外商用HastelloyN合金，也依然存在长期服役后辐照开裂等诸多问题。

　　围绕未来先进核裂变能先导专项，中科院开展了联合攻关。包括上海应用物理研究所、兰州近代物理研究所在内的数家科研单位，分别承担了不同的研究课题，金属所承担的两项课题，一是熔盐堆结构金属材料，二是用于ADS嬗变系统的新型耐高温、抗辐照、抗液态金属腐蚀材料。

　　金属所副所长张健介绍说，金属所已经研制出具有自主知识产权的GH3535合金，其耐熔盐腐蚀、抗氧化，以及物理、力学等各项性能，均达到或超过了国外同类合金水平，在纯净度方面具有明显优势。

　　由于全球新一代核反应堆尚处于研发中，因此，我国通过自主研发、自行设计制造四代堆，能够掌握全部知识产权，保证我国未来的国家能源安全。

　　目前，先进核能专项已完成ADS系统研究装置和2兆瓦固态燃料钍基熔盐堆的概念设计。中科院日前向记者通报了先导专项的研究进展。但这仅仅只是一个开始，距离更安全、更清洁、最终也更便宜的钍反应堆为人类服务还有很长的路要走。从过去的情况看，每一代反应堆从实验室攻关到进入中试阶段，再到核电站的商业运作阶段，会经历二三十年的漫长过程。

　　根据中科院制定的核能中长期发展路线图，在钍基核能系统方面，我国计划分3步走：到2015年，集中力量加强钍铀循环和熔盐反应堆技术的基础研究和技术攻关；在此后的2020年和2030年前后，力争完成10兆瓦的钍基熔盐原型堆和100兆瓦的示范堆；最终进入商业化用途阶段，预计在2040年前后。

　　从核能中长期发展路线图可见，现在还处于发现问题的前期阶段。（经济日报记者 杜 铭）