这个超过宇宙年龄的核燃料是什么
发布时间:2018-03-12
出品:科普中国
制作:寒木钓萌
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  一提起核燃料,我们首先想到的是铀,但其实,有一种名字很“土”,半衰期比宇宙年龄还要长,高达140.5亿年的元素,它也是铀的超级替补,这就是钍。而熔盐堆主要是指“钍基熔盐堆”。 

  钍是什么 

  在科幻小说中,未来世界是可以直接“烧”岩石的,从理论上讲,这并没有夸张。因为独居石这种石头中就含有大量的钍,而含量高的可达8% 

  8%含量看上去似乎也不是那么高,但我们得知道,当今主流的核反应堆,以压水堆为例,核燃料中参与裂变的铀235含量只在2%4.4%之间。 

    

图为独居石,图片来自Ra'ike 

  在原子家族中,钍排在第90位(原子序数),与排在第92位的铀仅相差两位。 

  但比铀更优越的是,钍的含量要高得多,地球上,钍的蕴藏量是铀的3倍到4倍,而有报道认为,钍就跟铅一样普遍。总部设在美国的钍能源联盟估计,如果美国的用电量不变,则美国的钍蕴藏量足够供电超过1000年。 

  诺贝尔物理学奖获得者、粒子物理学家卡罗·鲁比亚说:“目前中国通过进口铀来满足现有的、待建的核电站的需求,如果用钍,那么中国就根本不需要依赖进口了。” 

  钍的蕴藏量比铀大得多,这是世界公认的。现在的问题是,在反应堆中,钍是怎么产生能量的?它也像铀235一样,会裂变吗? 

  不会。 

  钍基熔盐堆原理 

    

 235的裂变动图 

  235被中子撞击后,裂变并产生中子,从而有连锁反应。但钍不具备铀235这样的特性。不过,这不难解决。 

  古有点石成金术,而今有中子术。 

  自然界存在的钍是钍232,当它吸收一个中子后,就变成了钍233,钍233再经过两次β衰变后,就摇身变成了铀233 

  而铀233就跟我们熟悉的铀235一样了,只要有中子撞击,铀233就会裂变并产生大量中子,这些中子反过来又去将钍232增值,如此就能循环下去了。 

  还有哪些优势 

  钍基熔盐堆中,因为高温,钍和其他盐是以一种熔融的形态存在的,反应堆中,熔盐自身既是加载核燃料的载体,且因为是循环流动,所以它同时也是冷却剂。 

  而像大家熟悉的压水堆,它是通过循环水作为冷却剂,这让反应炉需要常年保持在150个大气压左右。 

  而钍基熔盐堆因为可以不使用水作为冷却剂,因此反应炉内是在常压下进行,安全性更高。 

   

  另外,又由于是常压,所以反应堆可以做得很小很小,可以小到常规反应堆的几百分之一,甚至千分之一,这意味着,它可以应用在核潜艇,甚至是科幻中的核轰炸机上。 

    

压水堆中,核燃料芯块是装入一根有几层金属的管子中,构成核燃料棒。

  而在钍基熔盐堆中,由于核燃料自身就是熔融状态,所以也就无需专门制作固体燃料组件,这节约了成本。 

  既然这么多优势,为何没见商用? 

  实际上,熔盐堆的研究是很早的,上世纪40年代末,美国空军为了研制能持续在天上飞行数天的核动力轰炸机, 1946528日,美国空军启动核动力轰炸机NEPA计划,19515月,NEPA计划被ANP计划取代,研究方向同样还是核动力飞行,而其动力之源就是熔盐堆。 

    

飞机上的核动力发动机基本原理。

  冷空气从右下方抽入,通过上图的绿色管道,经过熔盐堆,被强力加热后,从红色管子流向发动机尾部,向后高速喷出,以提供推力。 

  美国橡树岭国家实验室承担了ANP计划中核能发动机的研发任务,他们于1954年建成第一个小型熔盐堆实验装置,运行最高温度达到 871℃,美国核物理学家阿尔文·温伯格,他在《第一核纪元》一书中说,这在当时是人类首次将核反应堆运行到如此赤热的状态。 

  1954年建的这个熔盐堆虽然没有使用钍,但它证明了熔盐堆的可行性。1966年初,另一个设计功率10兆瓦的熔盐堆建成并成功运行,这时,钍成为了其中的核燃料,这个钍基熔盐实验堆运行很平稳,除了必要的维护而临时停堆外,它一直运行到了196912月,后因经费问题才彻底停堆。 

  之后,远程轰炸机的作用逐渐被战略弹道导弹满足,另一个原因是,当时还是冷战期间,而钍基熔盐堆不像重水堆那样,既能发电,还能从中提取核燃料造原子弹。所以,钍基熔盐堆逐渐受到美国冷落。 

  温伯格参与了美国熔盐堆的研究,他对此当然耿耿于怀。有一次他说:“这个国家现在一意孤行的要发展快增殖堆,这让其他堆型的发展变得不可能,特别是熔盐堆,希望联合委员会能改正这个错误。” 

  如今,时代变了,从冷战时期的要大力造核武器,变成了现在的要努力防止核扩散。 

  因此,钍基熔盐堆正在被越来越多的国家所重视。 

   

  中科院经过7年多的研究和攻关,已突破熔盐堆各项关键技术,2017117日,中国科学院与甘肃省共同签署“钍基熔盐堆”项目合作框架协议,预计两年后,也就是2020年左右,甘肃的钍基熔盐实验堆将有望建成。 

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