揭秘新型核电站技术:打消疑虑 更安全可靠(组图)

AP1000反应堆

核电站模型

《PS+科技新时代》杂志2011年8月封面

　　Next-Gen Nukes

　　核电站，还要不要？

　　日本福岛的核事故之后，人们对于核电站产生空前的恐慌，其安全性遭到了普遍质疑。但是面对迄今为止效率最高、零排放能源的诱惑，我们该何去何从？不过庆幸的是，现在的两种新型核电站设计能在很大程度上打消人们的疑虑。

　　在今年3月日本福岛的核灾难发生后，世界对核电站的热情降到了最低点―甚至低于切尔诺贝利核事故发生后的那段时期。德国、瑞士、意大利等国家将核电站项目彻底停止，包括我国在内的其他国家也对已有核电站进行了全面安全检查。然而，没有任何一种可再生能源的效率能与核电站相比。一座占地一平方千米的核电站所能产生的能量，相当于一座占地20平方千米的太阳能发电站，或者是1200台风力发电机。如果一个国家想要显著降低对化石燃料的依赖，就需要建造更多的核电站。但问题的关键是，如何保证核电站的安全性？

　　从我国的第一座核电站―秦山核电站于1985年开工建设到今天的近30年间里，工程师们已经多次大幅提高核电站的安全性，最新型的3代半核电站已经问世。（第一代核电站是指早期的原型产品；第二代核电站指上世纪60年代初至90年代末建造的核电站，福岛核电站就属于这一代产品；第三代核电站是指从上世纪90年代末之后开始投入使用的核电站，主要位于日本、法国和俄罗斯。）与之前的设计不同，绝大多数3代半核电站都有被动安全元素层，能在电力中断的情况下防止反应堆熔解。第一座3代半核电站的建设目前正在欧洲进行中，我国目前在建和计划建设的核电站也都属于3代半核电站。在美国，南方公司近期也开始在佐治亚州的奥古斯塔建设第一座3代半核电站―沃格特勒核电站，两座反应堆中的首座将于2016年投入使用。

　　与计划中的约20座其他核电站一样，沃格特勒核电站也将采用西屋公司的AP1000反应堆。作为一种轻水反应堆，AP1000利用铀235发生链式反应产生高能中子。高能中子将水加热为蒸汽，进而推动涡轮机发电。

　　核电站最大的危险是反应堆熔解―反应堆核心过热、熔化，外壳破裂，最终导致放射性物质泄漏。与绝大多数反应堆一样，AP1000也需要依靠电力驱动冷却水和风扇来降温，但是它还带有被动安全系统，在电力失效的情况下能利用重力、凝结和蒸发这样的自然力量来对反应堆进行冷却。

　　被动安全系统的核心是一个直接置于密封外壳上方的容量为3000立方米的水箱，水箱的阀门需要电力才能保持关闭状态。这样一旦反应堆的电力供应失效，阀门就会打开，水箱中的水就会在流出来浇到密封外壳上。通风孔也会被动地从外界将冷空气吸入并使其流过核心结构，进一步进行冷却。

　　如果事态进一步恶化，技术人员能手动将密封壳体内的另一个水箱打开，将反应堆核心淹没。蒸发的水会在壳体顶部冷凝并降落，对核心重复进行冷却。今天绝大多数核电站的备用电源在电网供电中断后都只能坚持4~8个小时，而 AP1000 在电力失效、没有人工干预的情况下也至少能安全地运行3天。

　　虽然安全性有了极大提高，但在理论上3代半核电站仍然可能熔解，核工业界的一些专家目前在着手设计更新、更安全的第四代核电站。以钍为燃料的熔盐反应堆（MSR）就是第四代反应堆中的一种，它用液态钍取代了今天的核电站中使用的固态铀，这个改变彻底杜绝了熔解的问题。

　　熔盐反应堆的概念于上世纪60年代在位于美国田纳西州的橡树岭国家实验室被提出和建造，并于1965~1969年间运行了2.2万个小时。“它不是只存在于理论中的反应堆，也不是试验性质的。”非营利钍能源联盟的负责人、工程师马克•库奇说，“它们是真实存在的，而且能够运行。”在目前所有的第四代反应堆设计中，MSR是惟一一种在电脑模型之外经过了实际检验的。“尽管当时建成的并非完整的系统，但它确实证明了MSR是一种能够成功运行的设计。”橡树岭国家实验室核技术项目办公室的资深项目主管杰西•吉辛说。

　　在安全方面，MSR的设计有两个主要优势：它的液态燃料储存的压力要比轻水反应堆中固态燃料的压力低得多，从而极大减少了像福岛核电站发生的那种氢气爆炸的可能性。其次，一旦发生电力供应中断，反应堆内的固态盐就会熔解，液态燃料流入储存池并固化，将裂变反应终止。“即使无人照管，熔盐反应堆也是安全的。”库奇说，“即使被废弃、没有电力供应，小行星撞击地球这样的世界末日来临，它也会自行冷却并固化。”

　　尽管熔盐反应堆也能以铀或钚为燃料，但是使用低放射性的元素钍为燃料，并以少量铀或者钚作为催化剂会兼具经济性和安全性。钍的储量是铀的4倍，而且更易于开采―部分原因在于它的放射性更低。此外，钍的效率也要比铀高得多。“在传统反应堆中，只有3%~50%的铀被利用。”库奇说，“而在熔盐反应堆中，99%的钍都被利用。”结果就是，1千克钍产生的能量相当于135千克铀，或者是160万千克煤炭。

　　由于燃料利用的高效率，以钍为燃料的熔盐核电站产生的核废料也比今天的核电站少得多。铀基核废料在成千上万年内依然是危险的，而钍废料的危险期只有几百年。此外还有一个好处是，钍难以被制作成核武器。“即使一个国家储存了1000千克钍，也没有什么可担心的。”库奇说。

　　由于不需要大型冷却塔，熔盐反应堆无论占地面积还是发电能力都要比传统轻水反应堆小。今天的核电站平均发电能力为1000兆瓦，而以钍为燃料的熔盐反应堆的发电能力只有约50兆瓦。更小型、数量更多的核电站能减少电力在传输过程中的损耗（在今天的电网中，传输造成的损耗高达30%）。美军对于用熔盐反应堆为军事基地供电表示了浓厚兴趣，而需要稳定电力保证其服务器运行的谷歌公司也在去年主持召开了一个以钍为主题的会议。“他们希望能在数据中心附近建设容量为70兆瓦~80兆瓦的熔盐反应堆。”库奇说道。

　　但是即使有军方和大企业的支持，向新型核电站的过渡也将是非常缓慢的。但是在我国，这个速度可能会快很多。今年1月，我国已经启动了一个以钍为燃料的熔盐反应堆项目。“中科院已经证实将在近期―也许不到10年―部署熔盐反应堆。”吉辛说。这个项目的启动也许将在世界范围内起到示范作用。