號稱領先中國20年,印度得意的「快堆技術」,到底是個什麼技術?

資訊     2021年05月22日

2017年,印度在孟加拉海灣旁邊的卡爾帕卡姆,投產了一座功率高達500兆瓦的大型核反應堆。不同於傳統的核電站,它屬於快中子增殖反應堆,如今,全球的目光都聚焦在了印度即將建成的快堆上,一旦落成將是里程碑式的成就

號稱領先中國20年,印度得意的「快堆技術」,到底是個什麼技術?

作為印度的友鄰,中國又免不了被拿來比較了一番,有印度核專家認為,印度在該領域已經領先中國20年。這項「快堆」技術到底是什麼?中國目前發展的如何了,真的被印度領先了20年嗎?

號稱領先中國20年,印度得意的「快堆技術」,到底是個什麼技術?

印度快堆

核能是公認的未來清潔能源,它污染小、技術含量高,比起火電有著很明顯的優勢。從物理學上來看,只有鈾-235 鈽-239和鈾-233這三種材料,適合用於核裂變。

目前傳統熱堆核電站都是以燃燒鈾235為主,儘管反應堆能夠得到巨大的核能,但是在天然鈾礦中,同位素鈾-235隻占了0.714%,絕大部分屬於鈾-238。

問題是這絕大部分的鈾-238,卻不能在熱中子的作用下發生裂變,這也就意味著,天然鈾礦中超過99%的能量都被浪費掉了

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核電站工作示意圖

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分布情況

在世界各國大興核電站之時,人們也逐漸開始擔心鈾資源的可持續性,照此計算,全世界核電總裝機容量為3.9億千瓦,每年需要鈾將近6萬噸。而鈾礦探明儲量只有459萬噸,根本用不了幾十年

因此,如何利用鈾235以外的可裂變燃料,就成為了核能可持續發展的關鍵,快堆技術也就應運而生

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核裂變

快堆,是快中子反應堆的簡稱。所謂的「快」 並不是指反應運行速度快,而是指中子的飛行速度更快,它所消耗的是在熱中子中不大能利用的,占天然鈾礦絕大部分的鈾同素鈾-238。在吸收中子後 形成復合鈾239,再經過兩次β衰變,就能變成另一種可以裂變的核燃料鈽-239

其形成的核燃料閉合式循環,在運行過程中可以不斷地產生新的燃料,使其核燃料「越燒越多」 得到了增殖。相當於裝備一座相同規模的快堆,一座快堆會變成兩座,兩座快堆會變成4座,可以使鈾的資源利用率至少提高至60%以上

這也就意味著,貧鈾、低品味的鈾礦乃至海水裡的鈾,都可以變成快堆的燃料來源。由此 傳統核電站鈾-238的堆積浪費,將得到最大程度地降低 實現放射性物質最小化。國際社會普遍認為,發展和推廣快堆,可以從根本上解決世界能源的可持續發展和綠色發展問題

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快堆技術

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反應示意圖

目前,世界唯一商業運作的快中子增殖堆,是俄羅斯烏拉爾山脈的別羅亞爾斯克核電站,已經運行了40年,熱功率為1470兆瓦,電功率可達600兆瓦

雖然快堆技術使用的基本原理相同,但印度在建的快堆,並不是簡單地參照俄羅斯模式,而是有自己獨特的方法。俄羅斯的快中子反應堆使用的是鈾元素,印度使用的則是釷燃料棒

印度占有全世界25%的釷資源儲藏,坐擁世界第二大釷礦,將近36萬噸。所以印度核物理學家,將特製的釷棒作為「增殖性材料」,在中子的轟擊下 釷-232吸收中子,經歷兩次β衰變後,成為具有裂變價值的鈾-233,然後鈾-233繼續產生裂變。如此一來,將能提供無限量的電力供應

俄羅斯快堆

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印度在建快堆

目前,美國、日本和法國,都在嘗試研發自己的快中子反應堆技術,但由於技術和安全問題 一直沒能實現商用。印度在快中子反應堆技術的研究已經長達30年,當時發展的原因,一方面是為了響應世界共同應對全球氣候的行動,降低溫室氣體的排放,另一方面是為了避免煤炭資源短缺

中國作為溫室氣體排放最大的國家,也做出了積極的響應,主動作出減排承諾,開始大力發展水電,也就自然而然地成為了快堆的後發國家。不過即便如此,他們所聲稱的領先中國20年之久,也有著很大的誇張成分

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節能減排

早在2010年 中國核工業集團宣布,中國實驗快堆成功實現了併網發電,成為了繼美國、俄羅斯等國家之後,世界上第8個擁有快堆技術的國家。通過與俄羅斯的緊密合作,我國的快堆技術得到了長足發展

中國原子能科學研究院總經理張東輝聲稱,我國已經掌握了快堆絕大多數核心技術,在國內形成了基本配套的工業體系

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中國建成實驗快堆

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實驗快堆模型

除此之外呢,還制定了三步走的戰略:第一步是 2011年建成中國實驗快堆,這一步已經成功實現。第二步是2022年建成中國示範快堆,第三步是在2025年左右,快堆實現商用推廣。也就意味著,更安全、將近零污染的核時代即將來臨