AP1000核電站
核電站模型
日本福島的核事故之后，人們對于核電站產(chǎn)生空前的恐慌，其安全性遭到了普遍質(zhì)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(xiàn)在的兩種新型核電站設(shè)計能在很大程度上打消人們的疑慮。
受到2011年3月日本福島的核事故的影響，全球各國開始重新審視核電的安全性。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(nèi)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相比。一座占地一平方千米的核電站所能產(chǎn)生的能量，相當于一座占地20平方千米的太陽能發(fā)電站，或者是1200臺風(fēng)力發(fā)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(guān)鍵是，如何保證核電站的安全性？
從1985年我國的第一座核電站——秦山核電站開工建設(shè)到今天的近30年時間里，工程師們已經(jīng)多次大幅提高核電站的安全性，三代核電站已經(jīng)開始建設(shè)。(第一代核電站是指早期的原型產(chǎn)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(chǎn)品；第三代核電站是指比第二代技術(shù)具有更高的安全性和經(jīng)濟性，滿足URD和EUR要求的先進核電機組。)與之前的設(shè)計不同，絕大多數(shù)三代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(yīng)堆熔解。全球首座EPR三代核電站正在歐洲建設(shè)，首座AP1000三代核電站正在我國建設(shè)。
核電站最大的危險是反應(yīng)堆熔解——反應(yīng)堆核心過熱、熔化，外殼破裂，最終導(dǎo)致放射性物質(zhì)泄漏。與絕大多數(shù)反應(yīng)堆一樣，AP1000也需要依靠電力驅(qū)動冷卻水和風(fēng)扇來降溫，但是它還具有非能動安全系統(tǒng)，在電力失效的情況下能利用重力、凝結(jié)和蒸發(fā)這樣的自然力量來對反應(yīng)堆進行冷卻。
非能動安全系統(tǒng)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(guān)閉狀態(tài)。一旦反應(yīng)堆的電力供應(yīng)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(fēng)孔也會被動地從外界將冷空氣吸入并使其流過核心結(jié)構(gòu)，進一步進行冷卻。
如果事態(tài)進一步惡化，技術(shù)人員能手動將密封殼體內(nèi)的另一個水箱打開，將反應(yīng)堆核心淹沒。蒸發(fā)的水會在殼體頂部冷凝并降落，對核心重復(fù)進行冷卻。今天絕大多數(shù)核電站的備用電源在電網(wǎng)供電中斷后都只能堅持4-8個小時，而 AP1000核電站在電力失效、沒有人工干預(yù)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，但在理論上三代核電站反應(yīng)堆仍然可能熔解，核工業(yè)界的一些專家目前正著手設(shè)計更新、更安全的第四代核電站。以釷為燃料的熔鹽反應(yīng)堆(MSR)就是第四代反應(yīng)堆中的一種，它用液態(tài)釷取代了今天的核電站中使用的固態(tài)鈾，這個改變徹底杜絕了熔解的問題。
熔鹽反應(yīng)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(yīng)堆，也不是試驗性質(zhì)的。”非營利釷能源聯(lián)盟的負責(zé)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(yīng)堆設(shè)計中，MSR是惟一一種在電腦模型之外經(jīng)過了實際檢驗的。“盡管當時建成的并非完整的系統(tǒng)，但它確實證明了MSR是一種能夠成功運行的設(shè)計。”橡樹嶺國家實驗室核技術(shù)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(shè)計有兩個主要優(yōu)勢：它的液態(tài)燃料儲存的壓力要比輕水反應(yīng)堆中固態(tài)燃料的壓力低得多，從而極大減少了像福島核電站發(fā)生的那種氫氣爆炸的可能性。其次，一旦發(fā)生電力供應(yīng)中斷，反應(yīng)堆內(nèi)的固態(tài)鹽就會熔解，液態(tài)燃料流入儲存池并固化，將裂變反應(yīng)終止。“即使無人照管，熔鹽反應(yīng)堆也是安全的。”庫奇說，“即使被廢棄、沒有電力供應(yīng)，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(yīng)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(jīng)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。
由于燃料利用的高效率，以釷為燃料的熔鹽核電站產(chǎn)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(nèi)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(dān)心的。”庫奇說。
由于不需要大型冷卻塔，熔鹽反應(yīng)堆無論占地面積還是發(fā)電能力都要比傳統(tǒng)輕水反應(yīng)堆小。今天的核電站平均發(fā)電能力為1000兆瓦，而以釷為燃料的熔鹽反應(yīng)堆的發(fā)電能力只有約50兆瓦。更小型、數(shù)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(wǎng)中，傳輸造成的損耗高達30%)。美軍對于用熔鹽反應(yīng)堆為軍事基地供電表示了濃厚興趣，而需要穩(wěn)定電力保證其服務(wù)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(shù)據(jù)中心附近建設(shè)容量為70兆瓦-80兆瓦的熔鹽反應(yīng)堆。”庫奇說道。
但是即使有軍方和大企業(yè)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(jīng)啟動了一個以釷為燃料的熔鹽反應(yīng)堆項目。“中科院已經(jīng)證實將在近期，也許不到10年，部署熔鹽反應(yīng)堆。”吉辛說。這個項目的啟動也許將在世界范圍內(nèi)起到示范作用。
