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中國釷基熔鹽堆核電站發展世界第一
2024/04/11 05:58
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中國釷基熔鹽堆核電站發展世界第一

 


一、第四代核電技術

 

   第四代核電技術的特性是安全性優越、廢棄物少及無需緊急計畫,以鈉冷快堆(SFR)、鉛冷堆(LFR)、氣冷快堆(GFR)、超臨界水冷堆(SCWR)、超高溫氣冷堆(VHTR)和熔鹽堆(MSR)等六種堆和行為代表。中國山東石島灣的高溫氣冷堆、甘肅武威的釷基熔鹽堆及福建霞浦的鈉冷快堆都屬於第四代反應堆。這代表著中國率先掌握了第四代核能技術,一躍成為全球新能源領域的領跑者。歐美想在2050年實現淨零碳排放非常困難,需要大幅擴展包括核電在內的清潔能源。國際原子能總署(IAEA)技術報告新出版物熔鹽堆技術現況回顧了熔鹽堆的歷史,介紹了該技術的優點,保羅謝勒研究所先進核系統小組專家兼MSR工作主席Jiri Krepel說利用釷232和鈾238的幾種設計可以提供前所未有的安全性和燃料循環可持續性的結合。國際原子能總署燃料循環專家凱拉什.阿佳瓦爾表示MSR可以幫助提高核電的可持續性,包括最大限度的減少核廢料並增強防擴散能力。去年10,國際原子能總署和經合組織核能機構( OECD-NEA)在維也納聯合舉辦了熔鹽堆技術國際研討會。

 

   熔鹽堆是第四代核反應堆中唯一的液態燃料堆。中國研發的釷基熔鹽堆就是用釷元素作為核燃料、用融化狀態的鹽作為熱介質進行發電。釷基熔鹽堆和常規鈾反應堆不同,內部循環的冷卻劑不是水而是液態鹽。這就是熔鹽堆的關鍵所在,它既可被當作核燃料的承載體,又能被當作核裂變反應的冷卻劑,因此在使用時要將它溶解在氟鹽冷卻劑裡生成氟化鹽。釷基熔鹽反應器有選址靈活、小型化、新型燃料釷資源豐富、安全性大大提高、能量轉換效率更為優異等好處。由於它是用高溫熔鹽,氟化鹽作冷卻劑,所依賴的水資源比較少,不像鈾反應器那樣只能在大江、大海、大河邊上建造,它們也能在缺水的干旱地區甚至沙漠地區建造和運行。這一反應器適合建成緊湊、輕量化和低成本的小型模組化反應堆,也就是將它小型化。釷基熔鹽堆的安全係數很高,作為冷卻劑的氟化鹽沒有高溫燒毀的危險,即使發生事故也基本上不會出現核洩漏以及污染環境的情況。釷的使用率和能量轉換效率都比鈾更為優異,釷基反應器所產生的放射性廢料非常少,用釷作為核燃料也可避免核武擴散的風險。釷的資源蘊藏量很豐富,目前地殼中的探明量為鈾的三到四倍。中國目前已經在地層中發現30多萬噸的土礦,約可用兩萬年。台灣目前盲目廢核,不但無法發電賺錢還要耗費巨資除役,實在很愚蠢。其實核一廠很適合規劃成第四代核反應堆廠址,一邊興建新核電站一邊除役,最能充分運用人力發揮經濟效益。

 

二、熔鹽堆核電站未來展望

 

    中國科學院上海應用物理研究所已獲得釷熔鹽反應堆的運轉許可證,該反應堆於2018年9月在甘肅武威展開建設,反應堆轉化綠約0.1。使用含99.95%Li-7的富鋰鈹氟化物覆蓋層,燃料為UF4。依據自然雜誌報導,中國的釷基熔鹽堆使用氟化鹽,當加熱到攝氏450度時會融化成無色透明液體。這種鹽相當於冷卻劑。此外,熔鹽堆也使用液態鹽作為燃料基質,例如直接溶解在爐心中的釷,而非固體燃料棒。熔鹽堆具有非常高的操作安全性,燃料溶解在液體中,這些反應堆在比傳統反應堆更低的壓力下運轉。中國使用新型材料解決燃料鹽對管道的腐蝕作用,製造出了耐中子輻射照射性能的管道材料。熔鹽堆的優異性能主要來自其複合熔岩冷卻劑的高沸點物理特點,熔鹽還可以用再太陽能集熱、大規模熱能儲存和大功率電池等。熔鹽堆的廣泛使用將給能源帶來革命性變化。釷熔鹽反應堆的冷卻劑是複合型氟化鹽,不像鈾反應堆或輕水反應堆那樣,需要使用大量的冷卻水,所以它不需要像傳統核電站那樣需建在江河湖海邊,內陸地區、沙漠、山區、乾旱及高原地區都可以興建。釷熔鹽堆輸出的700攝氏度以上高溫可用於發電、工業熱應用、高溫制氫、海水淡化及氫吸收二氧化碳制甲醇等,可以有力緩解碳排放和環境污染問題。隨著我國科技水平的不斷發展,未來釷反應堆將會有更多的應用場景。另外也可用於太空用途,釷反應堆可以小型化,安全性高,可用於宇宙飛船。

 

  十多年來,中國為釷熔鹽堆項目開發投入了超過5.35億歐元,隨著甘肅武威釷基熔鹽堆成功運轉,中國將成為第一個將該技術商業化的國家。這項技術突破將讓人類享有更豐富更安全的能源,中國承諾2060 年實現碳中和的目標,可考慮用釷核反應堆取代目前燃煤和燃氣發電廠的鍋爐。一噸釷足以為一個熔鹽反應堆供電一年,地球的釷儲量可以供應世界數万年的能源需求。釷成本低,每噸約 250,000 歐元,或 0.029 歐元/兆瓦時,而鈾約 10 歐元/兆瓦時,釷每生產 1 兆瓦時便宜約 350 倍。與傳統反應堆相比,它還有可能產生更少的長壽命放射性廢物。總體積可能比傳統反應堆少約 35 倍,以產生相同數量的能量。99.99% 的廢物將在 300 年內保持穩定,而不是目前燃料的數萬年。根據 1984 年諾貝爾物理學獎的共同獲得者卡洛·魯比亞的說法,一噸釷裂變產生的能量相當於約 200 噸鈾。鑑於 7 克鈾相當於約一噸煤,一噸釷將替代約 2800 萬噸煤,可以減少龐大的二氧化碳排放。一噸釷是一個直徑約 55 厘米的球體。一塊網球大小的釷可以讓倫敦通電一周。一噸釷足以為一個熔鹽反應堆供電一年,地球的釷儲量可以供應世界數万年的能源需求。

  

三、熔鹽堆的優點

   

   熔鹽堆的優異性能主要來自其複合熔鹽冷卻劑的高沸點等物理化學特點,熔鹽還可以用在太陽能集熱、大規模熱能存儲和大功率電池等,熔鹽的廣泛使用將給能源帶來革命性變化,優點如下:

(一)釷在地球儲量豐富比鈾更豐富

   釷廣泛分布於地殼中,中國探明的釷儲量約28萬噸,僅次於印度,居世界第二位。台灣也有獨居石含釷重砂,但鈾礦就要少很多了。地球地層中釷的儲量較高,遠高於鈾元素,如螢石礦中就含有釷,礦產來源要容易得多,諾貝爾物理學獎獲得者,卡羅·盧比亞曾經說過,如果用釷發電,中國釷的儲量能夠保證未來許多個世紀的發電供應,大致可以使用兩萬年。

(二)廢料較少

   熔鹽堆最大的商業優勢是在核廢料的處理上,採用核廢料混合反應,無疑可以減少廢料處理難題。來自釷的放射性廢物只需要儲存大約500 年,而鈾則需要數千年。用釷製造武器級鈾也更加困難和耗時。

(三)節省水資源且環境兼容性大可選在內地及沙漠不須瀕臨河海

   釷熔鹽反應堆的冷卻劑是複合型氟化鹽,不像鈾反應堆或輕水反應堆那樣,需要使用大量的冷卻水,所以它不需要像傳統核電站那樣,建在江河湖海邊,內陸地區、沙漠、山區、乾旱及高原地區都可以興建,對地點更富彈性。釷基反應堆的冷卻劑是複合型氟化鹽,不像鈾反應堆那樣需要消耗大量的冷卻水資源,所以環境兼容性較大,在缺水的地方也可以建造和運行。

(四)熱轉換效率更高能量更大

   1噸釷能夠提供相當於200噸鈾、或者350萬噸煤所提供的能源,目前世界已知的釷儲量至少能夠為全世界提供1萬年的能源支持。所以,釷反應堆有機會緩解人類世界即將到來的能源危機,對於任何國家來說都是非常重要的戰略方向。釷基熔岩堆的堆芯燃料是溶解於氟鹽中的釷鈾混合物,氟鹽的熔點為550℃,沸點是1400℃,其工作環境可以實現常壓高溫(700℃),液態燃料流入改進後的堆芯後達到臨界值發生裂變反應產生熱能,熱量被自身吸收並帶走,流出堆芯後重返次臨界狀態,這樣可以做到循環使用,運行時氟鹽熱容可獲得比先前的核電技術更高效率的熱能,這代表著熱電轉換效率更高,其採用布雷頓熱循環,熱點轉換效率可達到45%-50%,高於目前主流反應堆朗肯循環(33%),可利用熱量更大。

(五)釷基熔鹽堆安全性高

   釷基反應堆發電技術是比以往的核電技術反應堆安全得多的核能發電技術,它基本不會出現高溫燒毀的情況,因為當反應堆內溫度超過預定值時,其底部的冷凍塞就會自動熔化,攜帶核燃料的熔鹽將全部流入應急儲存罐中,核反應也就隨即終止了,之後反應堆就會迅速降溫了。釷232不會發生裂變,而是需要中子轟擊轉換成鈾233同位素才能分裂,沒有中子注入,這個反應鏈就終止了。釷只會產生核能,廢料不會被拿來作為“貧鈾彈”。釷基熔鹽堆使用液態氟化釷作為燃料和冷卻劑,在反應過程中處於熔融狀態,壓力和機械應力更小,沒有爆炸的危險,並且如果管道、反應器發生破損,能夠迅速凝固,不會像福島核電站那樣污染水源。輕水堆由於壓力高,一旦發生管道破損,輻射物可以隨著水蒸氣四處飄散。而使用熔鹽堆可以在常規大氣壓下運行,因此管道不需要太厚,使用壽命也顯著增加。具有高溫、低壓、高化學穩定性、高熱容等熱物特性,釷基熔鹽堆使用無需使用沉重而昂貴的壓力容器,適合建成緊湊、輕量化和低成本的小型模塊化反應堆;熔鹽堆採用無水冷卻技術,不會因缺冷卻水發生爐心熔毀。正常情況下釷基反應堆產生的核廢料也很少,不到鈾和鈽核反應堆的1%,而且其危險性可從幾萬年降低的幾百年。所以釷基反應堆被看作是未來核能發電領域最安全的反應堆技術之一。

(六)用途廣

   釷熔鹽堆輸出的700攝氏度以上高溫可用於發電、工業熱應用、高溫制氫、海水淡化及氫吸收二氧化碳制甲醇等,可以有力緩解碳排放和環境污染問題。隨著科技水平的不斷發展,未來釷反應堆將會有更多的應用場景。另外也可用於太空用途,釷反應堆可以小型化,安全性高,可用於宇宙飛船。 

   作為國際上正在發展的第四代反應堆技術,上述六大顛覆性優勢說明釷基熔鹽堆具有突出的安全性和可開發性,中國在這方面的研究「處於國際引領地位」,甘肅武威釷基反應堆此次試驗意義重大,若能成功運行代表著中國在這項技術上率先取得突破,可擺脫能源對外依賴。

 

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