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物理學家解讀比爾·蓋茨對“先進”堆的誤解(上)

2021-04-25 14:11  來源:嘿嘿能源heypower    先進堆  小型模塊堆  輕水堆

在埃德溫·萊曼博士看來,先進堆并不先進,在他的調查報告中也從沒有使用過“先進堆”這一單詞。他同時認為,與其在沒有完整建設、運維經驗的新堆型上投入大量資金,還不如集中精力解決目前堆型存在的安全和成本問題。通過萊曼博士的訪談錄,我們可以看到未來核能發展的另一種思路。


在埃德溫·萊曼博士看來,先進堆并不先進,在他的調查報告中也從沒有使用過“先進堆”這一單詞。他同時認為,與其在沒有完整建設、運維經驗的新堆型上投入大量資金,還不如集中精力解決目前堆型存在的安全和成本問題。通過萊曼博士的訪談錄,我們可以看到未來核能發展的另一種思路。

我們如何解決氣候變化問題? 問100個人,可能會得到100個答案。 如果你問比爾·蓋茨,他可能會說,為了實現氣候目標,我們應轉向核能。但是,雖然核能發電不會產生碳排放,但核能也確實帶來了一系列其他挑戰……比如資金投入、電價、安全性,尤其是如何安全處置核廢料的問題,至今都沒有永久性的解決方案。 今天我們邀請的嘉賓是埃德溫·萊曼(EdwinLyman)博士,埃德(Ed)博士是一位物理學家,也是憂思科學家聯盟(Union of Concerned Scientists)的核能安全主管。

埃德博士剛剛發布了一份探討核能發展的“先進并不總是更好”的報告,報告對那些核電方面的新設計進行了一些獨立的評析,打破了核工業界各方面的技術炒作。 通過這份報告,埃德博士希望我們不要設計和建造存在巨大風險的反應堆,也不要改進現有反應堆。

1、 三種主要非輕水堆

科琳:埃德博士你好,我們過去討論過小型模塊堆,切爾諾貝利核事故。今天,我想深入討論一下與非輕水堆相關的問題。我知道,埃德博士剛剛發表了一份技術分析報告,對那些非輕水堆的新反應堆的安全、安保和環境影響進行了研究。首先我想問的是,這些堆型與美國目前運行的反應堆有何不同?

埃德:美國目前有94個反應堆發電,這些反應堆都使用普通水作為冷卻劑,通過水將核燃料中產生的熱量輸送到發電系統,加熱蒸汽進行發電。 我目前關注的反應堆有一個主要特點,它們不使用水來冷卻,而是使用液態金屬,如液態鈉,也可以使用氣體,如氦氣,或者在某些情況下,燃料進行自我冷卻。

科琳:那么,你能描述下你評估過的那些新的先進堆嗎?

埃德:好。第一類反應堆主要是快堆。快堆不同于我們目前發電的其他堆型,快堆沒有慢化劑。

核反應堆工作原理是,當鈾燃料原子核被中子擊中時,會發生裂變反應,釋放能量和其他中子,其他中子會撞擊其他鈾核,產生新的能量和中子,發生所謂的鏈式反應,產生穩定的熱量進行發電。

在如今常見的水冷堆中,水分子實際上減慢了中子的運動速度,當裂變產生中子時,釋放一定的能量,也會產生新的中子,新中子與水分子發生碰撞,中子速度減慢,因此裂變反應也會變慢。

事實證明,水冷堆的這種設計……本質上,使裂變反應更有效率。所以水冷堆可以使用低濃度的燃料。這是我們今天設計核反應堆的一種思路。

但是在快堆里,沒有一種材料可以減慢中子的速度。因此,中子都有很高的能量,這與輕水堆有著不同的特性。 事實上,這些快堆開發人員聲稱的一些優勢,源于快中子的特性。

為了達到那個目標,就需要冷卻劑,不過那些冷卻劑并不會減慢中子的速度。所以,這就是為什么像液態鈉這樣的物質被用來冷卻那些反應堆。 還有另一類,叫做高溫氣冷堆。

顧名思義,這種堆型不用水來冷卻燃料,用的是高壓氣體,最常見的是氦氣。用泵把氦氣從反應堆容器里抽出來。氦氣被加熱后會被排出,再用來發電。

第三類反應堆與其他類型的反應堆有很大不同,叫熔鹽堆。

我們目前反應堆使用固體材料作為燃料——被金屬包層包圍的固體材料。但在熔鹽堆中,燃料是液體的,一種熱的熔鹽——鈾和其他燃料材料溶解其中。

根據該項技術的支持者所說,它比固體燃料反應堆有一定的優勢。但其實也有許多缺點。

2、 先進堆并不先進

科琳:這些反應堆從什么時候就已經出現了?

埃德:其實,這些反應堆技術相當陳舊,人們卻通常稱之為先進堆,這并不是一個準確的描述。我們在報告中并沒有用到這個稱呼。 事實上,以上提到的有些反應堆在我們今天常見的輕水堆出現之前就已經構思出來。它們甚至可以追溯到20世紀40年代的曼哈頓計劃,其中一些技術其實早在20世紀50年代就已經在美國和世界上其他地區進行了試驗。

科琳:埃德博士,我看了報告后知道每種反應堆都有問題?,F在讓我們仔細看看快堆,對于快堆支持者們是如何評價的?

埃德:由于快中子的特殊性質,快堆在理論上可以在一種模式下運行,不僅可以產生自己的燃料,而且還可以為其他反應堆產生額外燃料。這就是所謂的快中子增殖反應堆,這也是為什么曼哈頓計劃的科學家們在這個堆型的開發上花費大量時間的原因,簡直是“夢之堆”。

他們認為,這種堆的燃料用之不盡,而且不用使用鈾資源。鈾資源應該保存下來制造核武器。 在人類的核能時代初期,人們普遍認為鈾是一種非常稀缺的資源,美國不擇手段收集鈾礦來制造核武器。所以,如果有一個反應堆可以自己生產燃料,顯然可以節約很多鈾礦。 而快堆的另一個潛在優勢是,可以使用其他類型的燃料,特別是現有反應堆產生的乏核燃料。

乏燃料半衰期非常長,本身存在的放射性會在周圍環境中存在數萬年或數十萬年。在目前的反應堆中,核燃料利用效率并不高,產生的乏燃料只能作為核廢料處理。而快堆實際上可以消耗掉乏燃料。所以,快堆有時也被稱為燃燒器反應堆。快堆支持者聲稱,快堆能燃燒乏燃料,完全解決核廢料問題。

科琳:那么快堆有什么問題呢?

埃德:首先,快堆并沒有那么夸張,實際上它并沒有真正達到所宣傳的那種效果,只是在理論上,快堆可以作為增殖體或燃燒器運行。

我在報告中討論過,如果你了解真實電力系統中的真實系統,以及這些反應堆是如何工作的,那么要進行一些改進就需要非常,非常長的時間?,F在的乏核燃料只能儲存起來,需要很長時間才能真正開發出比現有系統更有效率的燃料。

因此,聲稱快堆可以燃燒乏燃料或有效增殖新钚是不現實的。因此,好處不是很好,但風險是非常重大的。 因為無論哪種情況,增殖反應堆或燃燒反應堆都需要對乏燃料進行再處理,為反應堆生產新的燃料。再處理是一種技術,把核廢料,乏燃料經過化學過程,提煉出核燃料,這些核燃料主要是钚,也可以分離出其他不能在反應堆中回收的放射性廢料。

這其中有個問題,钚除了是一種潛在的核燃料外,還是一種核武器材料。所以,當把它從乏核燃料中分離出來時,實際上已經造成了核武器擴散風險。一些小國或恐怖組織很容易獲得這種物質。因此,從核擴散的角度來看,任何使用后處理技術的核動力系統,都比我們現在使用的輕水堆(不對乏燃料進行后處理)系統本身更危險。此外,快堆還存在嚴重的安全問題,支持者們喜歡對此進行掩飾。例如,我們都熟悉的切爾諾貝利核事故。

切爾諾貝利災難的主要原因是反應堆有一個設計缺陷。在某些情況下,如果反應堆升溫,這個設計缺陷會受到積極的反饋。所以,溫度越高,反應堆產生的能量就越多,基本上就是所謂的大功率偏移,這種導致反應堆爆炸。其實這種情況應該極力避免。

事實上,今天美國的輕水堆在設計上更加先進,如果反應堆升溫,核反應就會停止。

但是,快堆通常更像切爾諾貝利核事故中的反應堆,如果快堆加熱,液態鈉冷卻劑開始沸騰,發生越來越多的裂變。

因此,反應堆的功率可以在幾秒鐘內增加100倍,極可能發生堆芯熔毀,甚至核爆炸??於言诎踩矫媸植环€定。

科琳:目前建造的快堆,是理論上的,還是為了進行實際測試而建造的?

埃德:在美國和其他國家,人們對快堆非常著迷。事實上,第一個快堆是1951年在美國建造的。而美國、蘇聯,包括如今的俄羅斯、英國、法國、日本、印度等地,都有多個示范試驗快堆項目,其中大部分都在印度。而這些反應堆的實際情況也非常復雜。

你知道,任何一個調皮的高中生都試過液態鈉,鈉金屬與水反應十分劇烈。 事實上,如果鈉接觸到水或空氣,可以燃燒。所以,這其實是在核反應堆里使用一種潛在的易燃冷卻液。 因此,為避免發生火災,開發人員必須投入資金研究各種額外的安全系統,以確保他們能夠檢測到是否存在鈉泄漏。這確實是影響世界各地快堆可靠性的最大問題之一。 這些反應堆總體上——無論是燃料方面,還是安全系統——都沒有真正得到驗證。 (未完)

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