核聚變太難實現,或許它才是正確答案_風聞
酷玩实验室-酷玩实验室官方账号-昨天 22:36
前段時間有則新聞,江南造船廠推出了一艘24000TEU級的核動力集裝箱船設計方案,這艘船船長400米,寬61.5米,滿載排水量近24萬噸,更重要的是,它的核動力來源於第四代核反應堆釷基熔鹽堆。

好傢伙,連大夥兒都盼着的福建艦都沒享受的核動力,這艘集裝箱船就給上了?
江南造船廠是我國最牛逼的軍工造船企業,什麼中華神盾導彈驅逐艦,雪龍號極地破冰船都是他們造的,所以這事兒大概率是靠譜的。
但我還是有些疑惑:這個第四代反應堆就能用了嗎?
2021年中科院在甘肅武威建了一個釷基熔鹽堆,在當時還只是試運行,性質也只是實驗而非商業運行。到今年6月份,這個堆拿到了國家核安全局頒發的運行許可證,不久後就能併網發電了。
這邊剛拿到許可,那邊就準備上艦了。這速度快得超出了我的認知。不過我能理解為什麼這麼急迫的應用,因為熔鹽反應堆真的是好東西,有人甚至稱它為“核裂變到核聚變的過渡燃料”。
我列幾個它的優勢,大家感受一下:
一,它比現有的核反應堆安全,不會發生像福島那樣的堆芯熔化,因此不會燒穿地表污染地下水,同時也不會產生大量放射性的核污水。
二,它的核廢料是現有反應堆的千分之一。
三,它不挑位置,不需要像現有核反應堆那樣,必須建在有充足水源的地方,可以建在甘肅武威這樣的內陸區域,甚至還可以建在地下。
安全性屬於是直接拉滿。當然,它也有相應的技術難點,否則人們幹嘛不早點研究這個呢對吧,這個放在後面説。這裏我們要強調的是,熔鹽堆可以説是非常適配我國的能源格局的,如果在將來能夠大範圍商業化運行,那可以説是搬開了我國發展道路上的一塊大石頭。
為什麼這麼説呢?
看一下我國的能源結構就知道了。化石能源是現代工業國家發展的基石,我國的化石能源初始天賦是“富煤、貧油、少氣”。
煤炭、石油、天然氣的剩餘探明儲量分別為 1623億噸、36 億噸、6萬億立方米,按 2019年的消費量計算,分別可供我國使用 40年、6年與 20年。自給能力方面,以 2019年消費量計算,煤炭、石油、天然氣的對外依存度分別為 7.31%、77.34%與 42.69%,可見,我國的石油和天然氣是非常依賴進口的。
社會生產的“血液”掌握在他國手中,這其中的風險看看第四次中東戰爭引發的危機就知道了。
雖然我們有煤保底,但燒煤造成的環境成本也難以承受,所以必須要發展水、核、風、光四大類新能源。其中水電依賴環境,風電極不穩定,光伏是很有前景的新能源,我國在大力發展,但容易受天氣影響。相比之下,核能就穩定多了,這點對我們日常生活的影響可能並沒有那麼大,但穩定的電力對工業生產可太重要了。

另一方面,我國的能源資源分佈非常不均勻。煤炭資源主要在華北、西北,水力資源主要分佈在西南,石油、天然氣資源則分佈零散。而我國的主要能源消費又集中在東邊,所以西電東送、北煤南運之類的很多。這種能源轉移又進一步地增加了成本,所以要是有不挑位置,不挑環境,不靠化石能源的發電廠就好了。誒,這就是咱們今天要講的重點——熔鹽堆。
01
先讓大家對核能有個概念。
現在的核電站,從本質上來説跟火電廠是一個意思,通過燒鍋爐來發電。只是火電廠燒煤,燒油,或者燒垃圾,而核電站燒的是核燃料。
所謂核燃料,一般是鈾235和鈈239,它們一般為固體,做成棍子插進反應堆裏,所以也叫鈾棒。核燃料的能量密度極高,10g增殖堆燃料釋放的能量相當於22噸煤炭,16.5方石油,16706立方米天然氣。
所以一座百萬千瓦級的核電站,一年只需要30噸的核燃料,也就是一卡車的量,而同等級的火電站得燒300萬噸煤。

這十萬倍的差別根源在於,化石燃料的燃燒是氧化反應,本質上源於電磁力。而核燃料的燃燒是核裂變反應,本質上是源於原子核內部的強相互作用力。在質子直徑相當的尺度下,強力大約是電磁力的300倍。
核能也被很多科幻作家視為人類文明發展的關鍵。在科幻小説的神,美國俄裔作家阿西莫夫在他的銀河帝國基地系列中,以銀河系邊緣一個貧瘠星球為base,人口稀少的基地,卻能戰勝周圍星球上的大文明,最大原因就是基地掌握了核能。

不過不像小説中人類已經能將核能運用在生活生產的各個角落,我們對核能的開發還處於比較初級的階段。自從1954年,世界上第一座核電站,奧布靈斯克核電站在蘇聯建成以來,功率從5兆瓦發展到了7965兆瓦,日本的柏崎核電站,核反應堆已經經歷了4代更迭,但目前世界上核能佔比依舊徘徊在低位,當前全球核電發展僅佔總發電量的10%,而我國的核電佔比就更低了,僅有4.7%。
最大的原因就是安全因素。
在經歷了切爾諾貝利、福島等核事故後,人們對於核的態度戰戰兢兢,小心翼翼。如今世界上大多數的核能項目,都開始於上世紀70年代,世界核項目的數量也已經停滯了幾十年。
有一部名為《中國綜合症》的美國電影裏有一句台詞,説核反應堆的堆芯熔化,直接燒穿地球,燒到地球餓的另一面——中國。

這事兒肯定是過於離譜了啊,但大家想必也能看出,在上個世紀,對於核的恐懼情緒渲染的多麼厲害。今年,隨着日本開始向海裏排核污水,反核的浪潮也是一輪又一輪。
我做一個不太準確的類比,核能就像坐飛機一樣,效率很高且出事故的幾率很低,可一旦出事,對飛機上的人來説代價就是巨大的。
可對於核能這樣一種潛力巨大的能源,我覺得我們的態度不應該是丟掉,而是努力讓它變得更加安全。安全,正是核反應堆發展過程中最重要的標準。而熔鹽堆,正是將在科技樹上將安全點滿的一種技術。
02
為什麼説熔鹽堆安全呢?
要知道什麼是安全,我們先來看看不安全是什麼樣的:切爾諾貝利以及福島核電站的技術流派——沸水堆。

任何技術流派的核反應堆的結構都可以大致分為三部分:反應堆、冷卻系統和發電系統。
反應堆包括了燃料棒、慢化劑和控制棒。

燃料棒就是做成的鈾棒。我們所説的核裂變反應是一種鏈式反應:中子轟擊鈾-235,後者分裂成另外兩個元素並釋放200MeV左右的能量,以及2-3箇中子。這些中子會繼續去轟擊其他鈾-235,引發更多的裂變。

控制棒的作用控制鏈式反應的速率,就像調音量的開關一樣。那怎麼控制呢?很容易就能想到,既然鏈式反應的關鍵在中子,那麼控制棒只要能夠控制中子數和中子密度,就能控制裂變反應的速率。
而慢化劑是為了保證裂變反應能夠進行。這個説起來就略微複雜一些。其實中子轟擊鈾235是不一定會發生核裂變反應的。根據中子能量我們將其分為三類:能量高的為快中子,能量低的為熱中子,而居中為中能中子。三者中熱中子能誘發核裂變,而慢化劑就是將高能量的中子變為熱中子。
在沸水堆中,燃料棒是鈾棒,慢化劑是水,控制棒一般為硼、碳化硼、鎘等材料。
一個正常的運行過程是這樣的:冷凝水從反應堆下方進入,被反應堆加熱後,以氣水混合物的形態從反應堆出,然後進入渦輪機進行發電,最後重新凝結為液體水完成一個循環。
那麼,這個系統,或者説過程中不安全的因素在哪裏呢?
可以説,到處都藏着風險。
比如。福島。首先是海嘯讓整個核電站斷電,斷電後反應堆內的冷卻水得不到補充。雖然控制棒自動插入,但反應堆停止反應後同樣是有功率的(燃料衰變發出的熱量),因此很快使冷卻水沸騰,氣化,堆內充滿高温高壓的水蒸氣,迴路中開始出現裂縫,大量帶有放射性的水蒸氣泄漏,而堆芯也因無冷卻水傳導熱量,導致堆芯熔化,將反應堆底部外殼燒穿。

再比如,切爾諾貝利。當時工程師們想測試,如果遇到極端情況導致核電站斷電,能不能利用控制棒插入後餘熱發的電,來驅動冷卻水正常供應。在測試過程中,因為人為因素導致過多的控制棒被拔出,僅保留6根,反應堆失控功率飆升,冷卻水供應不足,堆內產生大量高温高壓水蒸氣,同時這些水蒸氣與燃料包殼的材料金屬鋯發生反應生成大量氫氣,發生蒸氣爆炸,頂部直接被炸穿。爆炸導致反應堆冷卻水更少,隨後又發生了二次爆炸(目前存在兩種假説:化學爆炸和熱核爆炸假説)。

而世界上目前主流的第二代第三代核反應堆——壓水堆的代表美國三里島核電站,也曾因為種種原因導致冷卻水不足而導致堆芯熔化。
大家可以看到,這些事故中最核心的問題在於冷卻水不足。只要冷卻水能供應上,就不會產生大量高温高壓蒸汽,後續的泄漏或爆炸也不會發生。
核電站每出現一次事故,都有以前沒出現過的因素,機械原因、人為因素啊等都有,可以説是防不勝防,某個環節的出錯最終導向的都是冷卻水不足,然後就出事故。
為了安全從裏到外整了那麼多安全措施,到頭來還是防不勝防。於是科學家們就想了,雖然水好水多水便宜,但它不安全啊。咱需要一個天生就安全的冷卻劑。
熔鹽:正是在下。

03
熔鹽是什麼?
這裏的鹽不是我們吃的那個,而是泛指一類金屬離子或銨根離子與酸根離子結合的化合物,什麼碳酸鈣鋇硫酸鋇,都是鹽。鹽在常温下一般都是固態,在高温下會熔化形成熔融體,就是熔鹽。
為什麼説熔鹽安全呢?
大家回想一下,前面的用水冷的反應堆出事故,核心原因都是冷卻水不足後氣化成高温高壓水蒸氣。
而熔鹽在反應堆裏幾乎不會氣化。這是因為,熔鹽本身具有高沸點、低蒸汽壓。熔鹽堆常用的氟鹽,熔點550℃,沸點1400℃。在常壓的情況下,工作温度可高達700℃。
事實上,熔鹽堆裏的氣壓甚至跟我們日常沒啥區別,就一個大氣壓。
並且,即使因為某些原因導致管道破裂。液態的熔鹽流出來。這些熔鹽很快就冷卻了,不會像水蒸氣那樣污染大氣。
在這點與可控核聚變其實有相似之處,因為核聚變同樣是在裝置出現故障後不會發生爆炸,而是會在暴露後迅速冷卻。
此外,大家還記得開頭曾提到,熔鹽堆不會發生堆芯熔化麼?這是因為熔鹽堆的核燃料是液體,跟熔鹽混合在一起,不會像固體燃料那樣集中在一個區域反應。

一個正常運行的釷基熔鹽堆是這樣的:核燃料與冷卻劑熔鹽混在一起,在反應堆這個迴路中持續發生裂變反應。高温熔鹽通過熱交換器將熱量傳導出去,這些熱量再加熱發電系統中的水,形成發電。
熔鹽堆用的核燃料跟一般的水堆不同,它沒有用鈾235,而是用了釷232和鈾233的混合燃料。
這是因為,釷232這個東西其實是不容易直接發生裂變的,但它能夠吸收熱中子變成釷233,經歷兩次β-衰變,變成鈾233,後者是一種易裂變物。

你可能會奇怪,有鈾不用,幹嘛非要加一個不容易裂變的釷呢?
其實從輻射危害來講,其實釷的放射性不比鈾小。
最大的原因是能用的鈾235實在太少了啊。
鈾是一種極為稀有的放射性金屬元素,在地殼中的平均含量僅為百萬分之二,以1600萬噸的鈾235儲量和180噸每年每百萬千瓦來計算,目前的鈾礦可供現在的核電用440年。但這是按現在的規模,如果以國際上估計,未來30年核電的規模將發展到現在的7倍,那麼鈾235就將在40年內耗盡。

相比之下,釷,這種自然界能量密度最高的元素之一,每單位重量的釷元素產生的能量是鈾元素的250倍,釷的儲量也很豐富,在地殼中的含量大約為鈾的三倍,可以説是很好的替代核燃料了。
帶有核裂變的放射性,卻也不會發生核泄漏,有着比擬核聚變的安全,或許這就是“核裂變到核聚變的過渡燃料”的真正含義吧。
04
一切看着都很美好啊,又安全,而且儲量豐富能用很久。
但有些事實我也必須告知大家,畢竟這個技術並不是今天突然出現的,而是上個世紀的遺孤。
在核反應堆剛起步的50年代,科學家們就已經開始對釷進行研究了。到了70年代,美國橡樹嶺國家實驗室,以及我國的“728工程”都對釷基熔鹽堆進行了一定程度的研究。但後來美國和我國都不約而同地轉向了用鈾的壓水堆。
這些轉變必然意味着釷基熔鹽堆的研究有相當的難度。
首先,我們之前提到,釷232轉化為鈾233是需要經歷兩次β-衰變,在這一過程的中間產物Pa233(鏷)的半衰期約為27天,這意味着它衰變到最終的鈾233需要大約1年的時間,這對反應堆來説時間較長。
其次,在釷233轉化為鈾233的過程中,可能會生成副產物鈾232。這玩意兒會釋放伽馬射線,使得反應堆的放射性變強。
再次,這是一個工程上的技術難點。熔鹽堆的工作温度在700℃左右,高温下熔鹽的腐蝕性非常強,這對管道材料的耐蝕性要求相當高。之前美國搞的時候用了一種Hastelloy N合金。這種合金的耐蝕和高温強度比一般的鐵基合金都更好。但後來因為轉向了壓水堆,美國也用不上這個合金了。
據中科院上海物理所的估計,引入納米技術後這個材料的性能可能會更進一步。

這是中科院在2010年做的發展預測,可以看到目前位於甘肅武威的熔鹽堆已經裝料,開始帶核運行了,在知網上就能查到多篇中科院所做的相關論文。

這當然只是冰山一角。在一篇篇的論文中,中科院的研究者們從燃料循環到熔鹽材料、結構材料對釷基熔鹽堆進行了大量研究,在他們的努力下,甘肅的熔鹽堆才得以成功。
不過目前該堆的功率為2MW,還沒有達到當初的預期。而江南造船廠上的熔鹽堆,雖然以當前能達到的功率來説,似乎只是作為輔助動力。但這艘船的設計中就取消了傳統煙囱機艙棚,實現淨零排放。換句話説,在設計中是把核動力作為主動力的,這意味着,也許有我們不知道的技術突破。而且,由於熔鹽堆的臨界質量(燃料發生自持鏈式反應的最小質量)比壓水堆小很多,所以它本身就更適合小型化,將來也必然會向船艦這個方向發展。
目前,核能大國法國的CNRS(國家科學研究中心)在15年完成了釷基熔鹽堆的理論研究後,商業公司Naarea計劃在該研究中心的幫助下於2030年推出第一台15MW的原型堆,印度BARC(巴巴原子能研究中心)正在維沙卡帕特南進行着一個5MW的熔鹽堆項目,不過該項目屬保密性質,網絡上沒有最新進展;俄羅斯的NIKIT研究所在今年也完成了循環熔鹽燃料研究反應堆的設計草案,計劃於2024年完成裝置,2031年開始運行。
之前看一些自媒體説中國在熔鹽堆的技術上遙遙領先,結果查了一下目前世界各國的進展:法國搞了理論計算,俄國搞了設計草案,印度神神秘秘沒法判斷。甘肅的熔鹽堆還真是世界上唯一一個運行起來的熔鹽堆。
雖然目前這個堆還面臨着相當多的技術難點,但它是真正能解決核電切膚之痛的技術,也是配得上“從核裂變到核聚變的過渡燃料”這一名號的。相比於相比於核聚變那個似乎永遠縮短不了的50年,這個過渡燃料的希望可大多了。