国产精品免费视频网站丨日韩a毛片免费观看丨欧美日韩中文在线不卡丨欧亚精品乱码久久久久久丨1000部夫妻午夜免费丨国产精品久久久久久久久一级无码丨日欧片内射AV影院频道丨97色伦图片 解讀：核能七十二變與未來能源發展
2000年，柯克•索倫森（KirkSorensen）還是美國國家航空和宇宙航行局 （NationalAeronauticsandSpaceAdministration）的一名工程師。當時，他在尋找為未來群居月球提供核動力的備選方法。他偶然看到了一本描述熔鹽反應堆的書，書中談到用液態核燃料作為能量來源。
這聽起來有點不可思議，索倫森說道。據他所知，所有核反應堆都用固態鈾做燃料，最初的“輕水”反應堆現在在核能行業是主流。然而，這本書解釋說，田納西州的美國橡樹嶺國家實驗室（OakRidgeNationalLaboratory）已對熔鹽反應堆進行三十多年的研究。而且，液態鈾、即含釷燃料具有得天獨厚的優勢。例如，即使遭遇災難性的核反應堆堆芯溶化，熔鹽反應堆也不會受影響，不會產生帶有钚及其他長期存在的放射性同位素的核廢料，會將那些同位素完全破壞掉。
索倫森說，優勢數不勝數，“幾乎所有熔鹽解決核能問題的方式都可能遠遠勝過”輕水反應堆的。他問道：“那么，我們何不從一開始就采取這樣的方式呢？
過去的十年中，很多人在問這個問題，不僅僅就熔鹽反應堆一事。由于戰爭安排，美國研究項目1976年放棄了那項特別技術的研究。不過，它僅僅是在核能商業化大潮中第一波就擱淺的眾多替代技術之一。其他的技術還包括能夠燃耗核廢料的“快速”反應堆，以及大量減少溫室氣體排放的工業無碳供熱高溫反應堆。總體來看，這些替代技術可以彌補大部分、甚至是所有核能的缺陷。而數十年來，因為日程計劃和融資水平都在不斷變化，研究人員對這些技術的關注也時斷時續。
現在，改變或許即將到來。過去十年中，一些國家對安全無碳能源的需求激發了政府對替代核能技術的興趣，企業也在努力重啟并推廣一些核能設計。特別是在中國等發展迅猛的國家。樂觀人士認為，即使去年發生了日本福島第一核電站的災難，也最終會推動人們選擇更安全的核反應堆。去年，索倫森為促進熔鹽反應堆商業化在阿拉巴馬州亨茨維爾創立了福利波能源公司。無論是福利波能源這樣處于起步階段的公司，還是正在開發商用快速反應堆的通用電氣-日立核能這種工業巨頭，大小企業都希望準備就緒。
然而，復興這些技術并非一日之功，不會一蹴而就。盡管基礎設計幾十年前就已完成，但要實際運行，工程師們還必須進行多種開發，如開發防輻射材料、更高效的換熱器、改良的安全系統。然后，他們必須向監管機構證明，所有這些安全系統都能發揮作用。“核并非易事”，馬薩諸塞州劍橋市“憂思科學家聯盟”（UnionofConcernedScientists）的高級全球安全分析師埃德溫•萊曼（EdwinLyman）表示，“它成本高，見效慢，風險極大，因為必須考慮安全因素”。
但相關人士都堅信：未來核工業最美好的前景就是回到過去。正如索倫森就取消熔鹽項目指出的：“從來沒人說過，‘我們可能錯了，也許應該回到從前，重新審視那個決定。’”。
最早，但非最佳
輕水反應堆之所以占主導地位，并不是因為最好，而是最早。它最初開發是在20世紀40年代后期，當時要為核動力的船舶和潛艇提供緊湊型的發電設備。20世紀50年代，美國試圖在原子能問題上扮演和平角色，于是創立了商業化的核能工業，輕水堆設計也由此得到改進和按比例增加。“輕水”是流過堆芯的普通水。它吸收了堆芯的熱能，再傳遞給常規核蒸汽機輪，從而將熱能轉化為電能。
最后，這些反應堆組成一個更大的系統，補救了低效率的基本問題，因為如果只有單獨一個反應堆，會很快自己產生毒物。隨著連鎖反應進行，鈾原子裂變產生的碎片越積越多，為保證反應不斷進行反應需要吸收的中子越來越多。也許18個月以后，燃料燒完了就必須移去反應堆，即使里面還有很多原始能量。
前美國能源部核能辦公室負責人、美國核管理委員現任委員威廉•馬格伍德說：“所以我們以前總想能有種回收二手燃料的基礎設備，可以再次獲得更多的燃料能量。”再處理工廠遍布世界。這些工廠回收用過的核燃料，再通過化學方式提取仍然可用的部分，多是鈾-235，還有不可裂變元素鈾-238吸收中子形成的可裂變元素钚-239，然后將它們變為新的反應燃料。最終，按計劃會轉變成新一代“增殖”反應堆，以使钚的產量最大化。唯一的廢料是極少的強放射性裂變殘留物，其中的放射性物質可能需要幾個世紀才能衰變。處理時這些殘留物將投入精心設計的混凝土貯倉。
馬格伍德說，20世紀60年代到70年代早期，這種設想主導著美國的戰略發展，當局不再將多數研究費用用于非增殖反應堆設計，比如熔鹽反應堆。該方案運用廣泛：目前全世界運營的437座核電反應堆里，有356座是輕水反應堆。
但是后來，到了1974年5月，印度測試了一枚核彈，其中的鈾元素就是從核反應堆燃料中提取而來。世界各國政府突然間被迫面對一個地緣政治方面的事實：大規模商業化核燃料回收將導致肆無忌憚的核武擴散。因為每家再處理工廠都會處理成噸的钚元素，足以制造核彈。制造一件核武器只需要4到6公斤的钚。審查機構又如何確定誰都沒有改變這些钚的用途？
所以，1977年4月，美國總統吉米•卡特禁止商用再處理。幾年以后，新任美國總統羅納德•里根廢除了該禁令，但是回收成本非常高，所以從那時起，僅有兩家法國的商用再處理工廠運營。大部分增殖反應堆的研究都停止了。因為沒有了再回收，它們的存在就變得毫無意義。工程師們發現自己面臨如何處理燃料廢棄物這個棘手問題。由于鈾-239的半衰期為2.41萬年，現在他們要使上萬噸二手核燃料離析，則需要幾百個世紀。可是，還沒人想到保證離析按時完成的方法。
與此同時，在20世紀70年代，對安全問題的抗議與日俱增。不管出于什么原因，只要流過輕水反應堆的水流受阻，熱量就會困在堆芯。從技術上講，即使關閉反應堆，核裂產物仍會在放射性衰變過程中產生熱量，足以融化燃料，逃出反應堆。所有的輕水反應堆有緊急備用冷卻系統，如果這種系統失靈了怎么辦？1979年3月，這種擔憂成為現實：賓夕法尼亞州哈里斯堡附近的三里島核電站發生冷卻劑意外事故，引發部分反應堆熔毀。2011年3月，日本福島核電站發生核泄漏，反應堆堆芯全部熔化。這次事件也進一步證實了人們的憂慮。
二次機遇
三里島事件后，由于公眾和政治的強烈抗議，全球出現長達25年的‘核能管制’。電力公司廢除了核擴展計劃，取消了幾乎所有的反應堆訂單。業內探索新技術的意愿減少。加州大學（伯克利分校）的核能工程師派爾•彼得森表示，“他們規避風險，避開自己沒有豐富經驗的技術和材料”，他們知道這么做能獲得監管部門的批準。
因為業內幾乎沒有興趣，也沒有部署的現實愿望，研究先進的反應堆就要克服指示與支持的負面影響。美國威斯康星大學麥迪遜分校的核能專家麥克•考拉蒂尼（MichaelCorradini）稱：“如果總是大起大落，就很難規劃和進行尖端工程研發。”
這種情形在2000年前后才得以改善。“中國和南亞已啟動核電建設，任何石油和天然氣資源匱乏的國家都會這樣。”劍橋麻省理工學院的核工程師查爾斯•福斯貝回憶說。（目前全球范圍內有64座核能反應堆正在興建，還有數百個已籌劃。）在美國，他說，“聯邦政府意識到，如果在核能方面我們沒有任何行動，就分不到這杯羹”。氣候變化也推動美國和歐洲對核技術重新產生了興趣。福斯伯格說，由于風能和太陽能發電量不穩定，“如果要擺脫化石燃料，必須有個正式的核項目。”
大力投資
這次新觀點帶來的結果之一就是美國2010核電計劃項目。美國能源部于2002年2月宣布政府產業的成本分攤方案，旨在幫助制造商研制和獲取具有先進安全性能的輕水反應堆建造許可。這些性能包括，發生意外時能利用重力和自然對流確保冷卻液流動。世界上有多個這樣的反應堆正在籌劃。其中美國就有四個在建，都是新一代反應堆。
更激進的設計可能在能源部對微型反應堆研發的成本分擔項目中找到機會。這個項目今年已啟動，目標是淘汰目前造價約100億到150億美元的上千兆瓦核電站，從而轉建250兆瓦甚至更小的核電站，小到可以在工廠批量生產并運至指定地點。競爭這個項目的四個反應堆的供應商都擁有先進的輕水設計。11月20日，該項目得到以北卡羅萊納州夏洛特市巴布科克和威爾科克斯公司為首的財團出資。
但是其他設計也會受益，彼得森稱，“如果我們能使輕水小型模塊反應堆有市場，”他說，“開發原型先進反應堆的市場就容易得多。”電力公司只要進入另一模塊，就可以這項新技術進行實驗。彼得森說，如果有效，錦上添花，如果沒有，也不會損失太多，這降低了他們整個試驗的風險閥值。”
可選模組的首選是高溫反應堆。這個名字恰如其分地透露了這種反應堆的工作方式：產生的蒸汽溫度高達1000℃，比約300℃的輕水反應堆溫度高得多。這需要完全不同的設計方案，比如，使用氦氣而非水帶走熱量，并采用氧化物和鈾的碳化物制成耐熱燃料。
“如果要擺脫化石燃料，必須有個正式的核項目。”
這種反應堆不可能熔化。它的燃料溫度穩定在1600℃，比堆芯高幾百度，即使失去了所有能量和冷卻劑，也是這種溫度。高溫會使反應堆更高效地發電。為工業生產過程提供熱量時，碳排放可以大幅減少。在美國，大約23%的能源用于工業，如石油裂化和塑料制造。許多工業生產需要達到至少700℃的溫度。目前往往通過燃燒天然氣獲得這樣的溫度，高溫反應堆可以提供無碳的替代能源。
商業高溫反應堆全球普遍開發不足。但是今年，石化公司和反應堆制造商組成的財團已經同意支持法國巴黎阿海琺（能源）公司的安斯塔瑞（Antares）高溫反應堆設計。阿海琺公司部門負責人弗雷德•摩爾說：“接下來要為了達到核管理委員會的技術要求而進行設計，并努力獲取許可，大約投入8億美元。”摩爾的部門向密歇根州米德蘭市陶氏化學公司提供電力和蒸汽。他估計，為安斯塔瑞設計和得到許可的過程需要5-7年時間。如果一切按計劃進行，這種高溫系統將在2020年-2030年開始動工，是要部署的首批先進反應堆之一。
快堆也不甘落后。它能解決高溫堆無法解決的核廢料問題，能消耗這類物質，將廢物轉化為能量，緩解廢料處理問題。
剛從新裂開的原子核爆發出來的裂變中子很“快”，平均能量約200萬電子伏特。在輕水堆中，與冷卻水中的氫原子核碰撞后，中子的速度會變慢至一電子伏特，這就使得中子更容易引起又另一次裂變反應。但是，慢速的中子有個缺點：它不但不會分裂目標鈾原子核，反而會被鈾原子核吸收，使原子核變成钚、镎、镅、鋦或其他重元素的長壽命同位素。這些元素集中起來就讓二手燃料處理成為惡夢。相比之下，快中子鮮被吸收。它們不常與目標碰撞，而一旦碰撞，就會令目標分裂，幾乎百發百中。因此，快中子不僅不會產生長壽命同位素，他們甚至能摧毀廢燃料中的長壽命同位素。
彼得遜說，建快堆是件棘手的事，尤其是因為快堆必須由液鈉或其他不會像水致使中子減速的物質冷卻。因此設計快堆是項大工程。他說，“而且，要給動力渦輪機提供蒸汽就得建立熱交換器，這也很有挑戰性”，因為鈉遇水會發生劇烈反應，并生成爆炸性氫氣。他說，研究者們正積極研究不會產生反應太激烈的冷卻方案，比如鉛和超臨界二氧化碳。
然而，在約20個多年運轉的快堆之中，許多快堆沿用的還都是20世紀70年代增殖反應堆的設計，當初建增殖反應堆是為了盡量增加钚的產量，不是要消耗它。至少有四家生產商在開發產生核廢料的小型快堆。典型的例子是美國北卡羅萊納州威明頓市的通用電氣-日立工廠的“超大功率反應堆創新小模塊”（S-PRISM）。它需要使用緊湊型納冷卻快堆，而且結合了一種回收裝置。這種裝置能帶走反應堆用過的燃料，去除阻礙核反應的裂變產物，將更新的燃料送回反應堆。這種反應堆絕不會離析原子彈原料——钚。
通用電氣-日立工廠高級反應堆開發負責人埃里克•洛溫說，市場潛力巨大，“我們與英國合作，正進行可用性研究。我們會從再處理工廠取出100噸钚，把它變成一種能源。”洛溫還說，在美國和其他地區，“我們的目標是形成高級回收中心網絡”，每個地區都會有六個S-PRISM反應堆和一個回收中心。這個回收中心能滿足處理一到三個輕水堆廢物的需要，并能及時處理目前存儲的積壓廢物。
洛溫說道，這樣的網絡成本不低，但根本的挑戰來自政界。福斯伯格和很多其他專家也表達了同樣看法：需要“一種政策框架，它能令人將和廢料當作財產，而不是垃圾。”
熔鹽反應堆
固體反應堆燃料的一大優勢在于其可預見的幾何形狀。而一大劣勢是這種反應堆的復雜性。從中子轟擊的強度、核分裂產物的分布到燃料晶體結構的輻射損傷，一切都不斷變化。這一直讓設計師頭疼，因為要竭力確保反應堆能穩定運行，并試圖說服調試者，即使是在最危機的時刻都不允許燃料的任何部分裂成臨界質量。
但要到燃料變成液體時，所有的問題才能迎刃而解，這也是美國早在20世紀60年代在橡樹嶺開發熔鹽反應堆的主要原因。作為核燃料，“熔鹽”通常是指四氟化鈾。在操作溫度下的液體狀態會與氟鋰鈹混合，成為氟化鋰和氟化鈹的混合物四氟化鈾。它起到冷卻劑的作用。“就像一口鍋---體積巨大，沒發出聲音的大鍋”，福斯貝里說。“你將燃料扔進去，混合到一起，但所有成分卻根本不會發生變化。”
索倫森說，液體燃料還有一大優勢，“燃料沒有徹底消耗完就不必從反應器中移除。”相反，這種燃料會通過一個外部回收裝置循環利用，持續提取核裂變產物，保證燃料安然無恙。索倫森稱，設計師還想出一種很妙的方法保證其安全性，在該反應器底部留有一孔洞，可插入一塊固體燃料，通過制冷單元來保持它的固體狀態。如果反應器在緊急情況下斷電，制冷程序會馬上停止。插入部分將會熔化，燃料會安全地流入地下儲存罐。最后，熔鹽設計可以適用于多種燃料，從傳統的鈾到原始核廢料或釷都能應用。釷的儲量大概比鈾多三倍。
對于這一切而言，沉寂四十年后復蘇熔鹽反應堆是一項艱巨的任務。索倫森說：“我們必須重建一個基本上已完全消失的知識庫。”他創立了Flibe能源公司。目前，該公司正在開發一個40兆瓦的反應器，或許會用在軍事基地，讓這些基地能獨立于電網運行。
2011年9月，福斯貝、彼得森、麻省理工學院的胡林文和威斯康星大學麥迪遜分校的核工程師托德•阿倫參與了一個為期三年的美國能源部資助核研究項目，做項目的負責人。這個項目在通往熔鹽反應堆的道路上又向前邁進了一步：氟化鈹（FliBe）冷卻式高溫反應堆。彼得森說：“沒人建過鹽冷卻式固體燃料反應堆。”倘若這個項目開始運作，反應堆的堆芯會比其他設計小4至5倍。由于鹽的良好穩定性，這個反應堆的溫度總是比破壞極限的溫度低幾百度。
彼得森說，盡管“估計會消耗大量的資源”，未來十年內公司還是會一座建用于測試的反應堆。這是個大膽的設想。由于金融危機，所有先進的核反應堆此后的融資都困難得多。此外，科拉迪尼指出，美國突然發現豐富的頁巖氣，他認為，“在美國，化石燃料廉價已經使一些清潔能源工程建設不斷推遲，不僅限于核能項目”。
華盛頓核能研究所政策發展貿易組織總監保羅•吉尼亞也很有遠見。他說，“開頭我們先做了輕水反應堆”，接下來，二十一世紀二十年代會出現更安全的先進輕水反應堆，緊接著就是進一步減少碳排放的高溫反應堆，“然后我們就建個快堆來消耗掉這些核廢料。”
吉尼亞認為，熔鹽反應堆還有很多未知因素，但值得開發。有些甚至變數更大的項目正在研究。其中值得一提的是加速驅動反應堆，它通過使高能粒子加速器的中子推動裂變反應，可用釷元素做燃料，且關掉加速器便可立即關閉反應堆。
但是，核能真的會進一步發展嗎？事實上，業內人士看到了樂觀的理由。特別是他們認為，如果氣候變化造成越來越明顯的后果，就會迫使政府設定碳價格。吉尼亞說，即使是福島那場核災難，也可能刺激新的核能技術發展，“但也確實給人們帶來了恐慌，而且對核能的安全性更加擔憂”。吉尼亞還說，可是，因為人們看得更清楚，“他們就會說，喂，這些都是建了30年的老工廠”，那時候，智能化的新型核工廠看來吸引力會大得多。