引領核電技術革命!甘肅武威釷基熔鹽堆將發電,有四大顛覆性優勢

科技     2021年09月24日

核能發電早已經是電能生產的主要形式之一,核燃料主要使用的是鈾和鈽元素,但是我國甘肅省武威市某新型核電裝置正要試驗以釷元素為燃料的發電方式,如果試驗成功,將代表著我國首先掌握了第四代核能技術。

引領核電技術革命!甘肅武威釷基熔鹽堆將發電,有四大顛覆性優勢

這座新型核電裝置正是世界上第一座商業化運營的釷基熔鹽堆,具有劃時代的技術創新意義,它的建造也標誌著我國成為世界上第一個對第四代核電技術進行商業化試驗運營的國家。該反應堆於2018年9月30日開工建造,2021年5月基本完工,8月份完成了機電安裝,目前的安排是將於 9 月底啟動試運行,由於主要還是實驗性質,該反應堆功率不大,可為1000戶普通家庭提供電能,如果運行過程表現良好,那麼我國將打造至少可為10萬戶家庭提供電力的更大規模的釷基熔岩堆,將代表著第四代核電技術在我國進入市場化開發運用的階段。

引領核電技術革命!甘肅武威釷基熔鹽堆將發電,有四大顛覆性優勢

釷基熔鹽堆又叫作液態氟化釷反應堆,簡稱TMSR,採用熔鹽狀態燃料以及採用釷-232作為增殖燃料,利用釷-鈾循環產能,方式是在熱中子堆中把釷232轉化為另外一種核燃料鈾233,然後把鈾233分離出來返回堆中循環使用。它是第四代核能系統國際論壇上由國際核物理和核能領域專家們定出的六種堆型中熔鹽堆的主要堆型,具有之前的核電技術不具有的諸多優勢,主要體現在四個方面:

第一,釷基熔岩堆安全係數高。

釷基反應堆發電技術是比以往的核電技術反應堆安全得多的核能發電技術,它基本不會出現高溫燒毀的情況,因為當反應堆內溫度超過預定值時,其底部的冷凍塞就會自動熔化,攜帶核燃料的熔鹽將全部流入應急儲存罐中,核反應也就隨即終止了,之後反應堆就會迅速降溫了。而作為冷卻劑的復合型氟化鹽在冷卻後凝固,基本不會泄露和污染環境。正常情況下釷基反應堆產生的核廢料也很少,不到鈾和鈽核反應堆的1‰呢,而且其危害可從幾萬年降低的幾百年。所以釷基反應堆被看作是未來核能發電領域最安全的反應堆技術之一。

引領核電技術革命!甘肅武威釷基熔鹽堆將發電,有四大顛覆性優勢

第二,熱轉換效率更高。

釷基熔岩堆的堆芯燃料是溶解於氟鹽中的釷鈾混合物,氟鹽的熔點為550℃,沸點是1400℃,其工作環境可以實現常壓高溫(700℃),液態燃料流入改進後的堆芯後達到臨界值發生裂變反應產生熱能,熱量被自身吸收並帶走,流出堆芯後重返次臨界狀態,這樣可以做到循環使用,運行時氟鹽熱容可獲得比先前的核電技術更高效率的熱能,這代表著熱電轉換效率更高,其採用布雷頓熱循環,熱點轉換效率可達到45%-50%,高於目前主流反應堆朗肯循環(33%),可是利用熱量更大。

引領核電技術革命!甘肅武威釷基熔鹽堆將發電,有四大顛覆性優勢

第三,節省水資源,環境兼容性大。

上面講了釷基反應堆的冷卻劑是復合型氟化鹽,不像鈾和鈽反應堆那樣需要消耗大量的水資源,所以環境兼容性較大,在缺水的地方也可以建造和運行。

引領核電技術革命!甘肅武威釷基熔鹽堆將發電,有四大顛覆性優勢

第四,釷礦資源遠比鈾和鈽更豐富。

地球地層中釷的儲量較高,遠高於鈾和鈽等元素,如螢石礦中就含有釷,礦產來源要容易得多,我國目前已探明的釷蘊藏量在30萬噸以上,諾貝爾物理學獎獲得者,卡羅·盧比亞曾經說過,如果用它來發電,按照目前的電能消耗來算,中國釷的儲量能夠保證未來許多個世紀的發電供應,大致可以使用兩萬年。

引領核電技術革命!甘肅武威釷基熔鹽堆將發電,有四大顛覆性優勢

上下圖皆為釷礦

引領核電技術革命!甘肅武威釷基熔鹽堆將發電,有四大顛覆性優勢

可見,作為國際上正在發展的第四代反應堆技術,上述四大顛覆性優勢也說明釷基熔鹽堆具有突出的安全性和可開發性,它也正是目前國際先進核能的研發熱點,我國在這方面的研究「處於國際引領地位」,甘肅武威釷基反應堆此次試驗意義重大,若能成功運行將代表著我國在這項技術上率先取得突破,今後我們或無需在核能發電原料上依賴他國供應,擺脫能源需求對外依賴的日子越來越近了。

引領核電技術革命!甘肅武威釷基熔鹽堆將發電,有四大顛覆性優勢

參考資料:

《前瞻網》9月14日的文章《世界首個!釷燃料核反應堆將在甘肅武威試運行 生產更安全、廉價的核能》