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燃料升级:更安全的核电站

发布时间:2019-04-30 21:36    浏览次数 :

  福岛事故和新能源的崛起使核能腹背受敌,只有经过改进,核能技术才有可能在更安全的前提下提供更优质的能源。

  2011年,日本福岛第一核电站出现了严重的事故。为了降低核反应堆在发生事故后造成氢气爆炸,或者辐射性物质泄漏的可能性,工程师正在重新设计铀燃料。全球所有核反应堆几乎都在使用铀燃料。尽管新的设计可能还需进一步完善,但测试工作已经启动。

  在反应堆的堆芯,铀原子发生裂变后,会释放中子和热量。反应堆内部和周围的系统都是为了防止堆芯过热,从而引▷•●发事故。研究人员现在努力改进核反应堆所用的燃料,希望减少它在高温下熔融或断裂的可能性,这样就不会产生易爆的氢气,也能降低发生意外时放射性物质泄漏的风险。改进核燃料还能提高核电站的发电效率,从而提▼▲高自身的竞争力。

  在美国,处于运转中的核反应堆共有98个,虽然设计不尽相同,但都使用了圆柱形陶瓷铀块作为燃料,它们与大号橡皮的尺寸相似。芯块会堆叠在由锆合金制成的燃料棒内,而燃料棒则会浸没在水中。在裂变过程中,铀释放出的中子可以轻易穿透锆包壳,进入另一根燃料棒,从而▽•●◆引发链式反应产生热量。释放出的热量会把水加热成蒸汽,蒸汽又会驱动发电机发电。

  在很早以前,科学家就把锆用作燃料棒的包壳,因为中子很容易穿透它。之所以这样选择,是因为勘探、开采、处理和浓缩(增加可产生链式反应的★-●=•▽原子核的比例)铀的过程不仅复杂还很烧钱。在当时,优化反应堆堆芯从而使能量输出最大化的技术也不怎么成熟,所以科学家很看重中子,不愿意随意损失。但是,就像福岛核▪▲□◁电站事故显现的,如果温度过高,锆就会和水(或水蒸气)发生化学反应,产生易爆的氢气。

  如今,反应堆设计和◆◁◇=△▲•操作都更加精细。科学家也发▼▼▽●▽●现,铀的储量很丰富,浓缩也很方便,所以损失一些中子是可以接受的。因此,科学家和工程师开始摆脱束缚,研究其★◇▽▼•他替代方案,尽可能减少氢气,提升设备对温度的耐受能力。

  受到福岛核电站事故的影响,核电站制造商与美国能源部合作,迅速展开了容灾性核燃料(accident-tolerant fuels)的研究工作——4种新的燃料方案采用了完全不同的思路。由于新的核燃料基本不需要改变现有核电站的硬件设施,所以很有可能会在未来10年投入使用。

  全球有3家重要的核燃料生产企业,分别是法国的法马通公司(Framatome)、美日联盟的通用电气-日立核能公司(GE Hitachi Nuclear Energy)和美国的西屋电气公司(Westinghouse Electric Company)。他们已经在现用的核反应堆上对新技术进行小规模试验了。总体来说,指导思想都是减少锆与水反应生成氢气的可能性,具体措施包括在锆表面涂一层其他材料;把锆封装进核燃料内部;或者干脆彻底替换锆。

  作为行业新秀,美国光桥公司(Lightbridge)提出了第4种设计方案,将铀和锆混合,制作成不容易发生反应的合金,就像单簧管一样,这种形状的导热性更好。不过,这种方案提出了新的要求,合金铀浓度的标准必须明显高于现在允许的最高值,因此美国的相关法规还得做出改变才行。

  过去几十年,美国核电厂很难获得行政审批,无法使用任何新型核燃料。如今,部门的管理者又重新开始尝试设计核燃料方案,因为他们感受到了更强的竞争——竞争对手是廉价的天然气以及供应越来越充足的太阳能和风能。在设计和建设核电站方面,美国受惠于当初大力推进的核物理研究,以及基础设施的快速发展,尤其得到了众多国家实验室的帮助。很快,全世界都参与进来。2018年6月,美国和欧盟的科学家在美国爱达荷国家实验室(Idaho National Lab★▽…◇oratory)会面,商讨了如何•☆■▲更好地合作。经济合作与发展组织(Organisation for Economic Co-operation and Development)也◁☆●•○△在建立测试新燃料的框架协议。如果容灾核燃料运行良好,日本◆▼的核电站或许也可能因此重生。在日本,人们仍然在争论应该重启多少核反应堆。

  当然,前方还有很多困难需要解决。在新型燃料商用之前,需要针对正常情况和意外情况•●进行大量试验和计算机模拟,从而评估反应堆的性能。在做反应堆堆芯试验时,一般采用小剂量的燃料棒即可。另外,还要说服持怀疑态度的人们,让他们相信新材料的实际工作效果和预想的一样好。现在,更先进的建模技术已经逐步跟进,辅助燃料棒的设计。部下属的轻水堆先进仿真联盟(Consortium for Advanced Simulation of Light Water Reactors,位于美国田纳西州的橡树岭国家实验室)已经在加快基础研究、工程开发和商业化□◁的步伐了。

  如果试验数据具有说服力,美国的燃料供给链——从制造商到反应堆换料平台——都面临更新换代,核电站的工艺流程也需要调整,其中每一步都需要对应监管部门的批准。

  重新设计核燃料或许只是更大变化的第一步。科学家和工程师正在设计一种高温气体冷却反应堆(high-temperature gas-cooled r◆●△▼●eactors),直接使用表面添加涂层的小型铀块,这些形似口香糖的燃料自己就能控制核反应进程,不像现在的反应堆,还需要在燃料棒之间插入控制棒。熔盐反应堆(molten salt reactors)也在开发中,这种反应堆中的核燃料与冷却剂是混合在一起的,很容易就能防止过热。

  在▲●…△过去短短几○▲-•■□年间,天然气、和风能行业有了显著的进步,核能行业或许也该准备迎接新的变革了。

  (作者系美国核能研究院负责核电站退役及废燃料业务的高级主管。曾供职于斯通-韦伯斯特工程公司(Stone & Webster engineering firm)、美国能源部和三家核电站。)

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