美国没搞出来的“终极能源”,中国为何成功了?

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去年12月,中国船舶集团有限公司旗下江南造船(集团)有限责任公司正式发布全球首型、世界最大的24000TEU级核动力集装箱船船型设计。

 

“首型”、“最大”、“核动力”……这几个关键词让网友激动不已。

 

其实,更值得关注的是,该船采用的第四代堆型熔盐反应堆。

 

这个美国没搞成的核技术,为什么被称为“终极能源”?

 

对于中国又有什么巨大意义?

 

美国没搞出来的“终极能源”,中国为何成功了?

 

提起核技术,大家最先想到的应该是原子弹。

 

原子弹爆炸起来威力巨大,为什么核技术能够安全平稳地为人类提供能源呢?

 

其中的关键,就是核反应堆。

 

核反应堆通过合理布置核燃料,使得在无需补加中子源的条件下能在其中发生自持链式核裂变过程,最终实现核能利用。

 

美国没搞出来的“终极能源”,中国为何成功了?

第一代核电:芝加哥一号堆示意图

 

经过70多年的发展,核反应堆已经过了四次迭代。

 

开头提到的堆型熔盐反应堆,就是第四代核反应堆,也是目前世界上最先进、最具潜力的核能技术。

 

第四代堆型熔盐反应堆是增殖反应堆的一种,以放射性钍-232(Th,音同土,Thorium,第90号元素)为核燃料,使用熔化的氟化钍在热中子堆中转化为铀-233,后者可分离出来返回反应堆中循环使用,实现增殖。

 

选用钍-232,是因为钍的燃效非常高,用于发电的话,理论上一吨钍可提供相当于200吨铀或350万吨煤所提供的电能。

 

反应堆产生的能量,加热水蒸气等工作流体——也就是网友调侃的“烧锅炉”——推动涡轮机,转化为电能。

 

发电后的工作流体被冷却后可循环使用,冷却后的熔盐也可以再次流回反应器,继续参与裂变反应。

 

这样整个过程下来,核能转化为电能,非常绿色环保。

 

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钍基熔盐堆与其他裂变堆型技术特性的对比

 

相较于传统的水冷反应堆,第四代堆型熔盐反应堆具有更高的安全性、更少的核废料、更长的使用寿命和更广泛的能源应用前景。

 

除此之外,钍基熔盐堆还有其他相当不错的技术特点。

 

一是建设成本更低。

 

熔盐堆使用的高温熔盐,因为是液态流体,本身可以作为反应堆冷却剂,而且这种熔盐具有高温低压的特性,无需压力组件。

 

反应堆的容器没必要使用沉重而昂贵的特种材料,反应堆易于小型化和轻便化,建造成本也随之大幅降低。

 

二是更节能、更高效。

 

高温下钍的提取和回收技术的不断提升,实现了钍燃料的高效利用,减少了核废料产生,更节能,经济效益也更高。

 

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第四代堆型熔盐反应堆工程组块示意图

 

三是使用场景更广泛。

 

熔盐堆采用非水冷技术,而且链式反应的特点上也不需要水来吸收核辐射,总体上对水资源的消耗很少,不必建在海边,干旱地区同样能修建,特别适合在内陆偏远地区实现高效发电。

 

四是安全性更高。

 

熔盐堆发生核泄漏的概率很低。因为熔盐堆在运行过程中本身不产生压力,出现事故后,熔盐自行流入储罐封存,冷却后凝固成固体,不会四处扩散,链式裂变反应自动停止。

 

至于清洁方面则毋庸置疑,与化石燃料相比,熔盐堆几乎做到了零碳排放。

 

另外,据测算,熔盐堆的放射性很弱,对工作人员的危害性很小。

 

 

美国没搞出来的“终极能源”,中国为何成功了?

 

像很多技术一样,熔盐堆的研发最早也是起源于美国。

 

二战末期,美国尝到了核武器的甜头,刚好一大堆核物理学家在和平年代无用武之地,于是,美国空军就在1946年开启了飞行器反应堆实验,将反应堆小型化,制造出核动力轰炸机这种“永不疲倦的铁鸟”,不需要加油,真正实现全球的空中力量打击。

 

1953年,美国使用铀燃料建造了一座熔盐核电站,并成功运行了超过1000个小时。

 

1965年,美国橡树岭国家实验室建成液态燃料熔盐实验堆,这是在我国成功研发之前,唯一成功实现钍基核燃料运行的反应堆,一直运行到1969年。

 

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美国橡树岭国家实验室的钍基熔盐反应堆

 

没想到的是,彼时,战略弹道导弹技术迅猛发展,让核动力轰炸机的价值迅速下滑。

 

未来用不上,加之核原料供给紧张、提纯成本相当高、燃料消耗大等问题,美国终止了钍基熔盐堆的研发计划。

 

虽然美国最早研发出熔盐堆,但在应用上没有继续走下去。

 

美国人没搞成的技术,未必没有价值。

 

核能是目前最有前景的低碳清洁能源之一,发展核能在我国是一个大趋势。

 

我国研发核能技术,首要考虑的不是军事争霸,而是为生产和生活提供能源。

 

中国将钍基熔盐堆使用在和平时代的民用领域,正是这种技术的最好归途。

 

所谓角度不同,格局高下立见。

 

中国政府的大格局其实早在上世纪70年代初就已经确立了。

 

当时,上海的“728工程”最初选择钍基熔盐堆作为发展民用核能的起步点,并于1971年建成了零功率冷态熔盐堆,还达到临界——随时可以进行链式反应。

 

但很可惜,受限于当时的科技、工业和经济水平,该项目最终的建设方向调整为轻水反应堆,也就是后来的秦山核电站。

 

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当时还在建设中的秦山核电站,是“728”工程的结晶

 

2011年,我国政府在甘肃武威重启钍基熔盐堆的研究,计划用20年时间在国际上首先实现钍基熔盐堆的应用,同时建立钍基熔盐堆产业链和相应的科技队伍。

 

当年1月,我国在甘肃武威开启2百万瓦的小型试验型熔盐反应炉的研发计划。

 

这是一座小型的实验堆,当时主要的技术难关在于开发合适的合金,能承受1000度的高温和钍盐的辐射。

 

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甘肃武威钍基熔盐堆示意图

 

2020年12月,该实验堆工程建设取得重要进展,成功启动堆本体离线安装,首套工艺设备投入运行并实现首炉冷却盐出料。

 

2021年5月,钍基熔盐堆试运行。去年6月,该项目获得国家核安全局颁发的运行许可证,预计今年就能并网发电。

 

这座小型试验型熔盐反应炉是我国钍基熔盐堆四步走发展战略的第一步,中国还将继续建设10兆和100兆瓦钍基熔盐示范堆,直至全面推广商业应用钍基熔盐核电站。

 

 

美国没搞出来的“终极能源”,中国为何成功了?

 

目前,全球贸易中货运的主力仍是海运,现代的集装箱船也会尽可能往更大的方向制造。

 

比如上海江南造船制造的CSCL Globe,全长就已经达到400米,可承载19100个标准集装箱。

 

再如Pioneering Spirit,既是世界上已建最大的货物运输船,又是一个多功能的工业巨兽,是目前世界上唯一能运输和拆卸海上钻井平台、沉船和其他大型海洋工程设备的大船,长382米,宽124米。

 

美国没搞出来的“终极能源”,中国为何成功了?

Pioneering Spirit

 

这么大的船,自然需要不一般的动力。

 

为这些集装箱船提供长距离动力的燃料,大致包括低硫重油、甲醇、乙醇、氨和氢等。

 

许多新造的集装箱船也采用LNG燃料,但不论是上述哪种,广义上仍属于化石燃料,能效太低。

 

反观钍基熔盐堆,不仅动力持久,而且装置很小,产能过程绿色,技术也更安全,是大型船只动力的上上之选。

 

这次江南造船能把第四代堆型熔盐反应堆用在集装箱船上,可谓大手笔。

 

按照设计图,这是个排水量近24万吨的庞然大物,相当于两艘12万吨级的航空母舰!

 

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江南造船发布全球首型、世界最大的24000TEU级核动力集装箱船船型设计

 

江南造船公布的钍基熔盐堆,能为更大个头和更大吨位的集装箱船提供动力,成为我国航母的新一代核动力,自然也不是问题。

 

站在民用能源的角度看,钍基熔盐堆绝对是目前人类技术射程内最好的能源,被称为“终极能源”。

 

除了技术本身的优势外,我国选择钍基熔盐堆为研究方向,还有另一个重要原因。

 

正解局之前谈过,我国铀矿资源比较稀缺,但稀土资源储量丰富,稀土矿中富含大量的钍元素。

 

目前,我国已探明的钍储量超过30万吨,仅次于印度,排名世界第二。

 

1984年诺贝尔物理学奖获得者卡罗·卢比亚(Carlo Rubbia)曾计算过,按照目前的电能消耗来计算,中国钍的储量可保证未来两万年的发电供应。

 

能源是工业的粮食、国民经济的命脉,关系到国计民生和国家安全。

 

发展钍基熔盐反应堆,能够保障我国能源安全。

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