揭秘新型核電站：更安全可靠
http://www.debgrams.com 2011-08-19 10:53 來源：科技新時代
日本福島的核事故之后，人們對于核電站產生空前的恐慌，其安全性遭到了普遍質疑。但是面對迄今為止效率最高、零排放能源的誘惑，我們該何去何從？不過慶幸的是，現在的兩種新型核電站設計能在很大程度上打消人們的疑慮。
AP1000反應堆 核電站模型
在今年3月日本福島的核災難發生后，世界對核電站的熱情降到了最低點—甚至低于切爾諾貝利核事故發生后的那段時期。德國、瑞士、意大利等國家將核電站項目徹底停止，包括我國在內的其他國家也對已有核電站進行了全面安全檢查。然而，沒有任何一種可再生能源的效率能與核電站相比。一座占地一平方千米的核電站所能產生的能量，相當于一座占地20平方千米的太陽能發電站，或者是1200臺風力發電機。如果一個國家想要顯著降低對化石燃料的依賴，就需要建造更多的核電站。但問題的關鍵是，如何保證核電站的安全性？
從我國的第一座核電站—秦山核電站于1985年開工建設到今天的近30年間里，工程師們已經多次大幅提高核電站的安全性，最新型的3代半核電站已經問世。(第一代核電站是指早期的原型產品；第二代核電站指上世紀60年代初至90年代末建造的核電站，福島核電站就屬于這一代產品；第三代核電站是指從上世紀90年代末之后開始投入使用的核電站，主要位于日本、法國和俄羅斯。)與之前的設計不同，絕大多數3代半核電站都有被動安全元素層，能在電力中斷的情況下防止反應堆熔解。第一座3代半核電站的建設目前正在歐洲進行中，我國目前在建和計劃建設的核電站也都屬于3代半核電站。在美國，南方公司近期也開始在佐治亞州的奧古斯塔建設第一座3代半核電站—沃格特勒核電站，兩座反應堆中的首座將于2016年投入使用。
與計劃中的約20座其他核電站一樣，沃格特勒核電站也將采用西屋公司的AP1000反應堆。作為一種輕水反應堆，AP1000利用鈾235發生鏈式反應產生高能中子。高能中子將水加熱為蒸汽，進而推動渦輪機發電。
核電站最大的危險是反應堆熔解—反應堆核心過熱、熔化，外殼破裂，最終導致放射性物質泄漏。與絕大多數反應堆一樣，AP1000也需要依靠電力驅動冷卻水和風扇來降溫，但是它還帶有被動安全系統，在電力失效的情況下能利用重力、凝結和蒸發這樣的自然力量來對反應堆進行冷卻。
被動安全系統的核心是一個直接置于密封外殼上方的容量為3000立方米的水箱，水箱的閥門需要電力才能保持關閉狀態。這樣一旦反應堆的電力供應失效，閥門就會打開，水箱中的水就會在流出來澆到密封外殼上。通風孔也會被動地從外界將冷空氣吸入并使其流過核心結構，進一步進行冷卻。
如果事態進一步惡化，技術人員能手動將密封殼體內的另一個水箱打開，將反應堆核心淹沒。蒸發的水會在殼體頂部冷凝并降落，對核心重復進行冷卻。今天絕大多數核電站的備用電源在電網供電中斷后都只能堅持4~8個小時，而 AP1000 在電力失效、沒有人工干預的情況下也至少能安全地運行3天。
雖然安全性有了極大提高，但在理論上3代半核電站仍然可能熔解，核工業界的一些專家目前在著手設計更新、更安全的第四代核電站。以釷為燃料的熔鹽反應堆(MSR)就是第四代反應堆中的一種，它用液態釷取代了今天的核電站中使用的固態鈾，這個改變徹底杜絕了熔解的問題。
熔鹽反應堆的概念于上世紀60年代在位于美國田納西州的橡樹嶺國家實驗室被提出和建造，并于1965~1969年間運行了2.2萬個小時。“它不是只存在于理論中的反應堆，也不是試驗性質的。”非營利釷能源聯盟的負責人、工程師馬克?庫奇說，“它們是真實存在的，而且能夠運行。”在目前所有的第四代反應堆設計中，MSR是惟一一種在電腦模型之外經過了實際檢驗的。“盡管當時建成的并非完整的系統，但它確實證明了MSR是一種能夠成功運行的設計。”橡樹嶺國家實驗室核技術項目辦公室的資深項目主管杰西?吉辛說。
在安全方面，MSR的設計有兩個主要優勢：它的液態燃料儲存的壓力要比輕水反應堆中固態燃料的壓力低得多，從而極大減少了像福島核電站發生的那種氫氣爆炸的可能性。其次，一旦發生電力供應中斷，反應堆內的固態鹽就會熔解，液態燃料流入儲存池并固化，將裂變反應終止。“即使無人照管，熔鹽反應堆也是安全的。”庫奇說，“即使被廢棄、沒有電力供應，小行星撞擊地球這樣的世界末日來臨，它也會自行冷卻并固化。”
盡管熔鹽反應堆也能以鈾或钚為燃料，但是使用低放射性的元素釷為燃料，并以少量鈾或者钚作為催化劑會兼具經濟性和安全性。釷的儲量是鈾的4倍，而且更易于開采—部分原因在于它的放射性更低。此外，釷的效率也要比鈾高得多。“在傳統反應堆中，只有3%~50%的鈾被利用。”庫奇說，“而在熔鹽反應堆中，99%的釷都被利用。”結果就是，1千克釷產生的能量相當于135千克鈾，或者是160萬千克煤炭。
由于燃料利用的高效率，以釷為燃料的熔鹽核電站產生的核廢料也比今天的核電站少得多。鈾基核廢料在成千上萬年內依然是危險的，而釷廢料的危險期只有幾百年。此外還有一個好處是，釷難以被制作成核武器。“即使一個國家儲存了1000千克釷，也沒有什么可擔心的。”庫奇說。
由于不需要大型冷卻塔，熔鹽反應堆無論占地面積還是發電能力都要比傳統輕水反應堆小。今天的核電站平均發電能力為1000兆瓦，而以釷為燃料的熔鹽反應堆的發電能力只有約50兆瓦。更小型、數量更多的核電站能減少電力在傳輸過程中的損耗(在今天的電網中，傳輸造成的損耗高達30%)。美軍對于用熔鹽反應堆為軍事基地供電表示了濃厚興趣，而需要穩定電力保證其服務器運行的谷歌公司也在去年主持召開了一個以釷為主題的會議。“他們希望能在數據中心附近建設容量為70兆瓦~80兆瓦的熔鹽反應堆。”庫奇說道。
但是即使有軍方和大企業的支持，向新型核電站的過渡也將是非常緩慢的。但是在我國，這個速度可能會快很多。今年1月，我國已經啟動了一個以釷為燃料的熔鹽反應堆項目。“中科院已經證實將在近期—也許不到10年—部署熔鹽反應堆。”吉辛說。這個項目的啟動也許將在世界范圍內起到示范作用。
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