我們真的不能把核電站做得更安全嗎？第四代核電呼之欲出！| 科到了_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-08-24 14:39
原創：中科院物理所
李存東
中國科學院大學物理學院
培養單位：中國科學院物理研究所
今天，2023年8月24日，日本政府原定將要正式向太平洋排放核污水（日本方面亦表示如果因為氣象條件不合適將取消排放），這對全人類來説都是一場災難，日本政府公然向全世界轉嫁核污染風險，將一己私利凌駕於全人類長遠福祉之上，此舉極端自私極不負責任！
應該説，福島核事故起源於天災，但發展到今天卻更多地來自於人禍，但核電，作為一種綠色穩定的清潔能源技術，可以説是未來我們走向星辰大海必須要點的科技樹了。因此，大家也絕不能因噎廢食，不能談“核”色變。
核電站事故大家其實見的也不少了，前蘇聯切爾諾貝利核電站的事故、美國三哩島核事故、福島核電站事故都歷歷在目。核電站要是出了事故，會產生大量含有輻射的核污染物，例如核廢水，會給人類社會帶來巨大災難。這些核污染物目前還沒有很好的辦法處理，一般通過深埋等待其自行衰變。但我們應該看到，核電站的發展也是突飛猛進的。這不，更安全的四代核電站馬上就要來了。
目前世界各國都在大力發展更安全的四代核電站技術，這不，我前兩天去百度查（摸）文（魚）獻時，就吃了一鯨，我國核電站技術都已經到這一地步了？
摸魚的時候吃了一鯨很合理吧 | 圖源自網絡
至於為啥吃驚，還請容我賣個關子先。
怎麼就第四代了
説起四代核電，一個首當其衝的問題就是，啥是四代核電，這咋就第四代了，前三代是啥，是不是快要核聚變了？
快進到方舟反應堆 | 圖源自百度百科
彆着急，其實四代核電還是核裂變，而且距離核聚變還有相當距離。
四代核電的概念是由美國人提出來的。1999年，美國能源部首先提出四代核電的倡議，後來又組織了由阿根廷、巴西、加拿大、法國、日本、韓國、南非、英國和美國九個國家的高級政府代表會議，就四代核電展開了討論，並達成共識：世界需要發展核電，但現有的三代核電技術還需要改進，而新的核電技術必須要提高經濟性和安全性，減少核廢物，防止核擴散，新的核電技術要同核燃料循環統一考慮。
真·核能預警 | 圖源自百度百科
其實，核電技術的代際升級可能並沒有大家想得那麼大，簡單來説，第一代核電技術就是早期的原型堆電站，也就是上世紀五十年代到六十年代早期開發的輕水堆核電站；第二代核電站就是六十年代後期到九十年代前期開發的大型商用核電站；至於第三代核電站指的是更先進的輕水堆核電站，這些核電站採用標準化、最佳化設計和安全性高的非能動安全系統。
而第四代核電站的主要開發目標主要有：核能的可持續發展，即通過對核燃料的有效利用，實現提供持續能源，並實現核廢物的最少化；提高安全性和可靠性，大幅度降低堆芯損傷的概率集成度，並具有快速恢復反應堆運行的能力，取消在廠址外採取應急措施的必要性；提高經濟性以及防止核擴散。
第三代和第四代核電站的目標和要求比較 | 圖源自參考資料
也就是説，安全性提升是四代核電的主要特徵之一。我們重點看一下安全性方面。第四代核電站應該能證明不會發生堆芯的嚴重損壞，並確保不會由超標的廠外釋放，不需要廠外響應。也就是説，即便遇上地震、海嘯、颶風等自然災害，四代核電站應該也能保證其安全性，即堆芯不會發生嚴重損害且不會有含輻射物質泄漏。
如今的切爾諾貝利已經部分開放成為了旅遊景點 | 圖源自網絡
至於四代核電的反應堆類型，其實有六種備選方案。分別是：氣冷快堆；鉛合金液金冷卻快堆；熔鹽反應堆；液態鈉冷卻快堆；超高温氣冷堆和超臨界水冷堆。這六種都可以看作是四代堆，但顯然，這其中，有三種是快堆，另外三種則不是，看起來，核電的代際劃分標準還是很有特色的（bushi
至於不知道什麼是快堆的童鞋，去找高中物理老師補課！
在這六種四代堆中，我國或多或少都有過研究，其中一些已經取得世界領先地位。篇幅所限，我們這一次主要講講超高温氣冷堆和熔鹽反應堆。至於其他的，有時間再聊。
超高温氣冷堆
有關核電站是怎麼燒開水的，我們之前發過一篇文章已經講過了：核電，一種更花式的燒開水方式
寫得真好，可惜不是我寫的。這裏面不僅講了核電站的原理，還講了我們現在主要建設的落後的壓水堆和沸水堆，可謂是前人之述備矣，我就不贅述了，省了我很多工作。
看完上面那篇文章，我想你已經可以理解核反應堆中的慢化劑和冷卻劑了。在**超高温氣冷堆（Very High Temperature Reactor，VHTR）**中。慢化劑是石墨，冷卻劑是惰性氣體氦，這也就是名字的來源，氣冷。
超高温氣冷堆示意圖 | 圖源自參考資料
上圖就是超高温氣冷堆的原理示意圖，球牀堆芯就是核反應發生的地方，卸料管可以及時清除反應過後的乏燃料，保證不停堆加燃料，反應產生的熱量在蒸汽發生器產生蒸汽，emmm，就還是燒開水，得到的蒸汽在常規島循環發電。
VHTR是上世紀開發的高温反應堆的衍生物，顯著特徵是全陶瓷包覆顆粒燃料。它被譽為“永遠不會熔燬的反應堆”，即使遇上9級地震，並引發劇烈海嘯，也不可能出現堆芯熱量無法散失以致堆芯融化的情況，不會出現核泄漏，十分安全。
我國建造了世界首個商業規模的超高温氣冷堆——石島灣高温氣冷堆核電站示範工程——已經在去年併網發電，這是全球首個併網發電的第四代高温氣冷堆核電項目，標誌我國在這一先進核能技術領域取得世界領先地位。
圖源自人民網
我國的超高温氣冷堆採用球狀堆芯，其核燃料元件是耐高温全陶瓷包覆顆粒燃料球，直徑6釐米，最外層是石墨層，裏面是基體石墨粉，這就是核反應的慢化劑，石墨粉中分散着12000個四層全陶瓷材料包覆的、直徑0.9mm的核燃料顆粒。
我國超高温氣冷堆燃料元件示意圖 | 圖源自參考資料
至於其不會熔燬的秘密就在於這顆石墨球，這顆燃料元件在1650℃的高温條件仍能有效阻擋放射性的泄露，而設計表明，即使遇到極端事故，堆內温度也不可能達到這個温度。因此超高温氣冷堆具有非常高的安全性。
除了固有安全性高，超高温氣冷堆的發電效率更高；其堆芯出口的工作温度高，可以在不產生二氧化碳的情況下制氫；高温還可以向工業領域供熱，用於石油化工、煤氣化等領域。
熔鹽堆
現在回收文章開頭，那個令我振奮的消息就是：我國釷基熔鹽堆實驗堆開始試運行了。
圖源自澎湃新聞
我們還是先説熔鹽堆。在四代堆的六種候選堆型中，熔鹽堆(Molten Salt Reactor，MSR)是唯一一種液態燃料反應堆。熔鹽堆使用的冷卻劑是熔融鹽，一般是氟鹽，它一般也是核燃料的載體，燃料就溶於氟鹽中。其採用的燃料一般是鈾或釷的氟化鹽。現在也發展出了固態燃料熔鹽堆的概念，僅將氟化熔鹽作為冷卻劑傳輸熱量，採用碳化硅密封、石墨包敷的燃料顆粒作為核燃料。
熔鹽堆示意圖
熔鹽堆的核反應就在左側進行，下方的冷凍塞及應急儲存罐是反應堆安全性的重要保障。以熱交換器為界限，左側為核島，右側是常規島，反應釋放的熱量由冷卻鹽吸收，並被用於在常規島加熱產生高温蒸汽，驅動汽輪機發電。所以，雖然常規島還是在燒開水，不過核島算是在燒鹽？
熔鹽堆的固有安全性顯而易見。熔鹽堆的燃料本身就是融化的，根本就不存在堆芯熔化的問題；熔鹽的低蒸氣壓減少了破口事故的發生，即便發生破口事故，熔鹽在環境温度下也會迅速凝固，防止事故進一步擴即便出現破口事故；而當堆芯温度上升超過預警值時，底部的冷凍塞可以自動融化，熔鹽會流入應急罐並冷卻，不會造成核污染。
熔鹽堆可以使用釷基核燃料。釷基核燃料的儲量高於鈾基核燃料，同時釷基核能不易用於製造武器，更適合做民用用途。
釷基熔鹽堆的特性結構圖 | 圖源自參考資料
除了安全之外，熔鹽堆可以更有效地利用核資源並防止核擴散。熔鹽堆不挑燃料，可以直接利用鈾、鈈和釷等所有核燃料，而不用特別處理，甚至可以利用核武器拆解得到的鈈。其產物中只有極少的鈈，可以防止核擴散。
熔鹽堆的熱功率密度高，可以小型化模塊化設計。運行中無需控制棒，可以不停堆換料，壽命長，功率易調。
熔鹽堆可以運行在高温下，同樣可以用於制氫、制氨、煤氣化等工業領域。
熔鹽堆可以建造在地下，對水沒有需求，因此可以建造在內陸乾旱地區。熔鹽常温時為固態，不會因泄漏而導致大量的核污染，對生物圈和地下水位的防護沒有那麼嚴苛，可以建造在地下，地下建造也可以更好地保護核電站。熔鹽堆核島不需要冷卻水，因此可以建造在乾旱無水的地區。
釷基熔鹽堆未來展望示意圖 | 圖源自參考資料
核電作為典型的清潔能源，環保無污染，輸出又穩定，是目前最理想的發電方式之一。大力發展核電，不僅可以讓我們獲得更廉價的能源，也有助我們早日實現碳達峯、碳中和的目標。因此，中國是世界上核電在建裝機容量最大的國家。而核電的發展也是突飛猛進，經濟性，安全性都得到了顯著提升。相信我們未來，會用上更多更好更安全更便宜的核電。
封面圖來源：中建二局中標華能山東石島灣核電廠擴建一期工程項目
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