開發原因
在日本地震海嘯所引發的核危機發生之後,一時間,人們談核色變,各國也都紛紛採取了相應措施,加強對核電站的監管。相信釷元素的出現,可以為核能工業另闢蹊徑。
2011年6月,英國科學家已經在曼徹斯特南部的柴郡平原,建起了一個用於研究釷能源的機器,並為其起名為“艾瑪”。一噸釷可以提供相當於200噸鈾,或者350萬噸煤所提供的能源,而世界上已知的釷元素儲量可以至少為世界提供1萬年的能源支持。釷元素的好處還不止這些:相比鈾而言,它易於進行濃縮與提純,不會產生二氧化碳——這意味著它是一種清潔能源,更重要的是:用釷元素建造而成的發電站不用擔心堆芯熔毀,它在發電過程中也只會產生相當於核電站百分之0.6的輻射物質。
冷戰年代的科學家們最終還是拋棄了釷能,走上了鈾能之路。其中一個重要原因是,天然釷中不含有易裂變物質,釷燃料需要鈾235或鈽239提供中子源來啟動,而天然鈾中有易裂變的鈾235。因此,釷能研究一直落後於鈾能研究,儲量豐富的釷資源在很長一段時間內沒有得到重視與更好的利用。直到20世紀八十年代後期,車諾比的核災難,讓人們開始反思核能的安全利用問題。正是在此時期,不易裂變且產生核廢料較少的釷能再一次進入研究者視野。
先行者
印度飛彈之父、前總統阿卜杜勒·卡拉姆曾雄心勃勃地表態:“印度要靠釷反應堆走向獨立自主。”“印度是國際上考慮以釷代鈾和鈽的少數幾個國家之一,”安全因素之外,更重要的原因是印度的資源狀況—印度鈾資源極其有限,而釷儲量卻位列世界第一。鑒於此,印度在上世紀九十年代制定了堅持釷燃料利用的三階段發展規劃:第一階段是利用加壓重水堆,生產積累鈽239和分離得到部分鈾233;第二階段是利用快中子增殖堆,將鈽239轉化成鈾233;第三階段則是設計和利用先進重水堆,將鈾233轉化成釷基燃料棒,最終達到釷鈾循環。印度國內對此規劃寄予極大的期望。據悉,到2050年,核能的比重將占到印度電力生產份額的25%,而在這之前的2020年,印度將建成世界上第一座以釷為燃料的原型重水反應堆。
與印度相比,中國內地的腳步或許要慢一些,在發展釷基核能系統方面,中科院也制定了一個“三步走”的計畫。第一步是,到2015年,在釷鈾循環和熔鹽反應堆領域,大力進行基礎研究與技術攻關;第二步是,到2020年完成10兆瓦的釷基熔鹽原型堆;第三步是,2030年前後,建成100兆瓦的釷基示範堆。“到2050年,根據中科院的構想,核電、可再生電能與水電能夠占到內地電力生產總量的50%,其中核電與可再生電能將占到30%左右。”在近期的一次核能會議上,中科院院士、核物理學家王乃彥也表達了與印度規劃相似的構想。可保中國能源供應千年無憂。
優勢
與目前廣泛投入商業套用的二代與二代改進型核電站不同,釷基熔鹽反應堆屬於第四代核反應堆,其在工作原理與安全性能方面,有著卓越的優勢。傳統的反應堆,大多需要在高壓下進行工作,而釷基熔鹽反應堆只需在常壓下,即可進行工作。不僅如此,釷基熔鹽反應堆採用的是高溫保護,具有較高的熱點轉換效率,可在幾千度的高溫下運行。當內部溫度超過預定值,堆底部的冷凍塞會自動熔化,使得攜帶核燃料的冷卻劑(氟化鹽)會全部流入應急儲存罐,反應堆會自動關閉,核反應也會即刻終止,從而避免如福島核電站一般,在高溫下發生爆炸的可能。
除此之外,中國選擇釷基熔鹽反應堆另一個重要原因,是中國在釷資源儲量上的優勢。統計資料顯示,釷的儲量目前已探明在地殼中是鈾的3-4倍。中國鈾儲量很有限,且多是貧鈾礦,但是釷的儲量卻極為豐富,約為鈾儲量的6倍,已探明的釷工業儲量為286335噸,分布在20多個省和地區,其中包鋼旗下的白雲鄂博西礦是世界上存儲金屬釷最大的礦產之一。
與鈾相比,除了儲量上的優勢,釷在能源利用與廢料處理方面,亦有著無可比擬的優勢。相關研究表明,1噸釷裂變產生的能量相當於200噸鈾裂變的能量,而作為高效能源,釷作為核能燃料不需要像鈾一般先進行高濃縮。在核廢料處理方面,鈾能系統會產生大量具有核輻射危害的鈽,而釷能核電系統則只會產生極少量的鈽,相較之下,在確保核不擴散方面,釷能系統更具有保障性。釷產生的放射性廢料比鈾少50%,釷廢棄物放射性毒性周期不到200年,相比之下更容易處理。