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核能碳中和(清洁核电:碳中和时代填补能源缺口的一大利器)


*以下根据吴王锁于2021年4月15日高山书院重庆站的部分课程内容整理而成,经老师审核后公开发布。

全文字数丨4009字

阅读时间丨8分钟(高效速读,可选1分钟精华版)



授课老师:吴王锁,兰州大学博士生导师,核科学与技术学院院长,长期从事核化学与放射化学,核技术应用研究。

■ 精华版


近两个世纪以来,文明生活高度发展,我们对能源的需求也水涨船高。随着自然能源开始供不应求,人类也渐渐把目光放到了核能上。

核能的能量密度极高。1公斤的铀-235通过核裂变释放的能量,相当于270万公斤标准煤燃烧所释放的能量——而且不排碳。在当前碳中和的目标下,核能是化石能源尤其优秀的替代方案之一。

在核电站,核能通过控制棒、慢化剂、冷却循环系统等一系列设施精准地调控释放,就像家中的炉火一样,“火候”可大可小、可急可徐。另外,核电厂布置了三道严密可靠的安全屏障,即燃料元件包壳、压力容器、安全壳,在规范操作的情况下,核裂变产生的放射性物质根本不会泄露出来。

一些人曾顾虑:核电站是否会发生类似核弹的爆炸?答案是否定的,因为核电站的设计从根本上就与核武器不同。

一、“啤酒点不着火”,核电站的核燃料的丰度仅在5%以下(核武器在90%以上)

二、”中子生育计划“,反应堆里负责点燃核燃料的中子每一环减速多少个、扩散多少个……都严格按计划进行;

三、“亡羊补牢”,截至目前,核电站在一万多堆·年的运行历史中仅发生过三次核事故(美国三里岛、切尔诺贝利日本福岛,而经过这三起天灾/人祸,核电站已经完善了各方各面的防护措施,应对各种极端情况,风险极低。

在核电技术上,中国算是后发先到,至今所有的反应堆都来到了三代与三代+,包括国之重器华龙一号。当前,世界上的核电站主要都依赖热中子“点火”;但相信未来数十年,核电站将转向由快中子点火的核裂变反应堆,以及万众瞩目的人造太阳——核聚变堆。


■ 完整版


上节课(详见《核武器发展:动荡中维系和平的另一种手段》),我们了解了核裂变、核聚变以及它们在核武器上的应用。这节课,我们来了解下核电站。

十八世纪末,人类迎来第一次工业革命,在蒸汽机的诞生下改变了农耕文明,正式迈入工业化的时代;一个世纪后的第二次工业革命,我们随着电磁学的发展掀起电气化的序章,开始了我们对能源的需求。

到了第三次工业革命,我们撬开了科技化与数字化的大门,能耗更是从此指数级蹿升。



全球自1800年的能源总消耗,按不同能源分类

能耗急剧攀升的背后,一方面带来了碳排放等重要的环境污染问题,另一方面也让能源科学技术、经济社会发展进入了一场你超我赶的竞赛——而核能,正是这场竞赛中的焦点。

我们之前提到,1公斤铀-235通过核裂变所释放的核能,比1公斤煤通过燃烧所释放的化学能大出270万倍,差了6个量级。能量密度的优势,是核能发展的根本原因。



核电站:有序劈开原子核


核反应要用作核能发电,首先要做到可控,就像烧菜的时候火候可大可小、可急可缓。二十世纪中期,可控的核裂变已经实现,也是如今各国核电站的运作基础。


图自网络

实现可控核裂变,首先我们需要一个核反应堆。反应堆是一种特殊的锅炉,有人称它为原子反应炉。

在反应堆里,燃料棒提供易分裂的铀-235核;而中子源则提供中子,对核裂变进行点火,并产生更多的中子形成链式反应。要想控制核裂变的速率,关键就在于控制这些中子的数量,而这主要通过两个方式实现——控制棒及慢化剂。

控制棒是由硼、镉、铪等拥有足够高中子俘获截面的材料制成,能有效吸收中子。把控制棒插入堆芯,能减慢链式反应的速率,降低输出功率;相反,抽出控制棒,输出功率就会增加。


绿色为控制棒,橙色为燃料棒

裂变反应需要中子的诱发,不过核裂变产生的自由中子一般速度太快,可达每秒2000公里,这样的快中子和铀核产生反应的截面较小,链式反应的速率也较低。那么慢化剂就负责和这些快中子碰撞,吸收它们的能量,将之减速成为热中子,如此一来就能增加反应截面,进而提升核反应的输出功率。

用作慢化剂的材料既要能有效地慢化中子,又要尽量少地吸收中子,同时又符合经济效益。

常用的慢化剂材料,液体主要有轻水(H₂O)、重水(D₂O),固体有石墨、铍金属或氧化物,而气体则有氦气。我们经常听到轻水堆、重水堆、石墨堆、气冷堆、液冷堆,很多就是以慢化剂进行分类的。

有了控制棒及慢化剂对核裂变速率进行调控,另外,我们还需要一个冷却循环系统。它的任务是冷却堆芯,同时把裂变产生的能量传递出来。常见的冷却剂有轻水或重水,也有气体,熔盐或是熔态金属。

在现役的核电厂中,最广泛使用的是轻水堆(以轻水作为慢化剂及冷却剂);其中,轻水堆又可分成沸水堆(Boiling Water Reactor)和压水堆(Pressurized Water Reactor)两类。

从字面上看,沸水堆采用了沸腾的水进行冷却,而压水堆采用的是高压水;不过两者的主要差异体现在水循环系统。

压水堆有两个冷却循环回路:回路一是用来冷却堆芯,回路二则用来蒸汽发电;而沸水堆只有一个内循环冷却系统,直接靠反应堆的热能取得推动汽轮的蒸汽。



红色回路里的高压冷却水进入堆芯带出热能,通过传热管传导到蓝色回路,使水沸腾并产生蒸汽推动汽轮机发电


沸水堆:冷却水进入堆芯,吸收热能并逐渐气化,推动汽轮进行发电

除了控制裂变以及利用能源的机制,核电站也对核燃料及相关设施设置了三道严密可靠的屏障,确保核裂变产生的放射性物质不泄露出来。


第一道是燃料元件包壳。燃料棒按照一定规律排列,并抽出空气、充入氦气,再以耐高温、耐高压、耐辐射、抗腐蚀等优良物理化学性质的锆合金管或不锈钢管制作的外壳严格密封起来。

第二道为压力容器。它由极高质量的合金钢板及工艺制作,里头包着燃料元件包壳,外头再加盖一层压力壳;万一燃料包壳密封有所损坏,导致放射性物质泄漏,整体也仍然处在密封的空间中。

第三道是安全壳。它是一座顶部呈球面的预应力钢筋混凝土建筑物,能耐3~4个大气压的压力,能承受地震、飓风、龙卷风和来自内部或外部飞射物与飞机坠落等的撞击,可以说是一座坚不可摧的堡垒。安全壳会定期进行检漏试验,并且保持负压,以阻止任何放射性气体的外泄。



核事故:某天炸成蘑菇云?


1945年,美国在日本长崎和广岛掷下两颗原子弹,两座大城市顷刻间化为废墟,近20万人伤亡。至今,核恐怖心理还难以消除。很多人心底都在担心:核反应堆会不会某一刻像核弹一样发生核爆炸,重演广岛、长崎的悲剧?

事实上,这样的爆炸是不可能发生在核反应堆的。因为核反应堆和原子弹的设计构想、原理与部件截然不同。

一、啤酒点不着火

反应堆里装有的是天然铀或低浓度的铀,铀-235的丰度在5%以下,这一点非常关键。上堂课我们提到,武器级的铀丰度必须达到90%以上,就像95%浓度的酒精可以点燃,而酒精浓度为5%的啤酒是点不着的,是一样的道理。

二、中子有“生育计划”

反应堆里产生多少个快中子,其中减速多少个、扩散多少个、该吸收多少个,每一环都严格按计划进行,以便于维持链式反应的可控和稳定。同时,反应堆也涉及了一系列严密的保障措施,在一些环节失控的情况下都有妥善应对措施。

三、亡羊补牢

截至目前,在全世界一万多堆·年的运行历史中,核电发生过三次重大的核事故,里边既有天灾,也有人祸。

第一次是1979年在美国的三里岛,主要原因是水泵阀门信号灯故障和人员操作失误,进而导致大约三分之二的堆芯熔化,但总体没有人员伤亡,也没有发生严重的环境污染现象。

第二次,是1986年著名的切尔诺贝利事故。除了人为操作失当,根本原因在于反应堆的设计缺陷。切尔诺贝利核电站缺乏安全壳,所以放射性物质在事故中释放到了大气里,造成白俄罗斯乌克兰和俄罗斯约3万平方千米土地不同程度的污染、巨大的经济损失以及社会影响。

这里有些细节我想以正视听。媒体上经常流传一些关于切尔诺贝利事故的离奇报道,比如死伤50万人、老鼠变异成猪一般大小等等。美国人还专门拍过一个艺术宣传片,耸人听闻。实际上,1986年真正在切尔诺贝利死去的有28位——后来1987年到2004年又相继过世了19个人,但死因未能断定是否是来自放射性辐射。

第三次,则是前段时间闹得沸沸扬扬的日本福岛事件。9级地震以及海啸造成了冷却水系统故障,进而导致反应堆堆芯无法得到冷却,于是高温下水被分解成氢气和氧气,最后引发了氢气爆炸(非核爆炸)。同时,大量涌入堆芯的水形成了无处安放的核废水。

三里岛和切尔诺贝利两次人祸,给核电发展敲响了警钟,因此推动了一系列的改革,比如关闭或改造类似核电站的设计,提高安全性;加强人员培训、改善人机接口;修订多项安全法规,完善维修、运行规程及安全监督制度。福岛事件的天灾,也对核电站选址提出了更精细严格的要求。

经过三次的“亡羊补牢”,现阶段,核电站为各方各面的极端情况做了极其完善的防护措施,风险非常低,因此对核电站安全的疑虑是不必要的。

事实上,人类的技术不可能一蹴而就,而我们也不能因噎废食。面对必要的技术,我们只能认真对待每一份风险,并尽自己所能做到当下的万全。



中国核电:后来先到


目前为止,核电站的堆形经历了四代发展。而我们国家的核电起步虽晚,但起点高,现在我们所有的堆型都是三代与三代+,包括华龙一号。华龙一号被称之为国之重器,它不单是世界领先水平,更是我们自主研发与建造的。


将来的第四代核电站,国际上正积极发展着高温气冷堆,即采用高温氦气作为冷却剂及慢化剂的反应堆。高温气冷堆的一个好处是:蒸发器低于堆芯,只有氦气和水蒸气可能接触到堆芯,不会重演福岛这样的进水事故。

在此基础上,高温气冷反应堆再进行模块化,主要是将反应堆划分为若干小的模块,让单一模块的功率小到即便没有应急冷却,燃料元件温度也不会超过阈值(如1600°C)

清华大学团队自主研制了中国模块化高温气冷堆(HTR-PM),获得了国家科技进步特等奖。山东的石岛湾2012年投入建造了一个以高温气冷实验堆为基础的核电站示范工程,目前基本成型并进行了冷试与热试,但还没正式开始发电。除了模块化高温气冷堆,石岛湾核电站的核心技术还有十大设备、八大验证实验等等,都是自主研发。



未来核电:快中子,再核聚变


自1942年科学家费米首度实现可控的自持链式裂变,各种反应堆陆续面世。

不过目前世界上绝大多数运行中的反应堆,不管是轻水堆、重水堆、气冷堆哪种慢化或冷却方式,它们都属于热中子堆,也就是说需要把链式反应产生的快中子慢化为热中子。而热中子堆利用的是铀-235,在天然铀中只占到0.7%,属于特别稀缺的资源。

现在各国加紧研究的快中子堆,能够充分利用其余99.3%的难裂变的铀-238,通过核反应把它们转化成易裂变的钚-239。可以预见的是,快堆很快就会发展起来。

如果说热中子裂变堆是第一代核电站,快中子裂变堆是第二代核电站的话,那么聚变堆就将是未来第三代的核电站。无疑,聚变发电是更理想的能源。

如今,中国、欧盟、日本、俄罗斯、加拿大等国家正在积极推进新的国际热核试验堆计划ITER——关于核聚变与ITER更多的细节,李建刚院士未来将给大家进一步讲解,敬请期待。


整理丨邱施运

编辑丨朱珍


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