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核能与核聚变裂变混合能源堆的发展

 论文栏目:能源工程论文     更新时间:2018/1/3 11:40:33   

摘要:在未来的二十年,核能发展将迎来一个全新的阶段,在2037年左右,快堆有望投入商用,即将开启演示堆计划的有磁约束聚变、激光聚变、Z箍缩聚变。核聚变演示堆存在两种可能性,一是纯聚变能源堆,二是聚变裂变混合能源堆,混合能源堆可以有效降低聚变功率,缓解高能中子对材料的辐照损伤。裂变能源堆可以充分利用铀资源,具有防扩散的性能,聚变堆、裂变堆、混合堆的共同发展可以为人类提供相当丰富的能源供给。

关键词:核能;聚变裂变;能源堆

聚变的燃料是氘氚或氘氘,裂变的燃料是铀或者钍,目前商用反应堆大部分采用的是以铀为燃料的热中子反应堆,但是这种裂变反应堆对铀资源的利用率只有1%—2%,并且供能时间还不如化石燃料持续得久。当科技进步到能充分利用铀资源和开发钍资源时,裂变能可以为人类提供稳定的能源供给。核聚变的开发非常困难,它的燃料是氘氚或氘氘,氚由氢的同位素产生,陆地上氢元素储量十分稀少,海洋中含量丰富,但是开发困难,所以目前可用的氘氚资源非常少。纯粹的氘氘聚变不受资源的约束,但是目前的操作技术达不到,或者说难以实现。核爆发电是氘氘聚变利用方式中可操作性最强的。聚变释放的能量可以高达90%,而且所需燃料由核爆炸本身产生的物质提供,这种方式释放的能量可以维持人类使用上万年,但是这种方式受当前国际政治方面的约束,公信力也较差,因此难以实现。随着国际热核试验堆工作进展良好,聚变裂变混合能源堆的优点被科学界重新挖掘出来。

一、裂变能源的发展趋势

随着科技的进步以及人类对新能源的渴望,核能作为一种环境友好型的新型能源开始在世界范围内广受认可,我国也制定了雄心勃勃的核能发展计划。为了提高核电开发的经济性和安全性,减少资源浪费率,减少放射性废物的出现,增强防扩散性能,美国率先提出了核反应堆计划,该计划提出了六种候选堆型,三种属于快堆,另外一种超临界水堆也可以设计成快堆,发展快堆是提高核能利用率的有效手段。理论上看,发展快堆可以将铀的利用率提高到60%,有效延长供能时间,但是快堆的燃料循环涉及到铀的浓缩和铀环的化学分离,会造成一定程度的核扩散。因此基于防核扩散的考虑,快堆是无法作为一种燃料增值堆来发展的,这就和防核扩散的要求相违背。当前快堆的设计方案不再追求燃料的增值,而是考虑嬗变超铀元素或者是保持增值比恒定为1,从目前的开发技术来看,金属燃料的快堆最有可能实现高增值比。结合干法处理,可以将燃料增值时间控制在较短的范围内,如果不考虑高增值途径,未来快堆的规模将全部取决于热堆发展规模,无法实现对核能的大规模开发。缓解核燃料资源短缺的另外一个途径是开发钍资源。在钍铀循环过程中,采用熔盐燃料的热中子堆要优于固体燃料的中子堆。两者的增值比相差不大,但是前者容易进行裂变反应,并且资源消耗量少,并且裂变产物可以通过在线后处理清理掉,降低核扩散风险。熔盐堆的几何适应性优良,在具有复杂构型的聚变裂变混合堆中具有独特优势,我国钍资源含量丰富,因此启动钍铀循环是解决能源短缺的有效手段。

二、聚变能源的发展趋势

人类致力于受控聚变能源的商用研究已经进行了50年,目前已取得了一些成绩。聚变被称作干净能源,因为它的放射性远低于核裂变。.氘氘聚变不受资源条件的限制,被称为永久能源。但是由于技术方面以及国际政治方面的约束,目前可以实现的氘氘聚变只能维持人类几百年的能源供给,并且还要考虑到受控聚变和聚变能商用的差异性,顺利实现氘氘聚变还需要一段时间。

三、聚变裂变混合能源堆

混合堆降低了聚变功率的要求,即降低了第一壁的高能中子负载,减轻了对材料的要求,提高了核聚变的可操作性。氘氚聚变放出的是能量是14.1MeV的高能中子,这种高能中子可以引起裂变材料的裂变反应、(n,2n)、(n,3n)反应等,例如238U,因此科学家首先想到的是在包层内放置大量天然铀、钍或者贫化铀,利用裂变反应,实现巨大能量的释放和生成更多可以裂变的材料,这种类型的混合堆成为增值堆。增值堆的研究不是现代才开始的,早在上世纪80年代,科学家就发现了增值堆的特点,即包层使用可裂变材料,用液态金属、气冷或者熔盐等冷却方式,生产的易裂变燃料进行铀钚分离后供热堆或者快堆使用。有一种增值堆的设计与众不同,采用的是抑制裂变的设计,可以在一个循环过程中将天然铀资源转化为3%左右的低浓铀,可以直接应用在压水堆上,我国最开始的商用混合堆就采用的这种方法。上世纪90年代之后,美国的混合堆研究开始转向对热堆乏燃料的处理,收集到了很多具有裂变能力的材料。在这个过程中超铀元素的装量高达40吨,其嬗变能力跟混合堆相当,发电量也相当可观,而且可操作性较强,美国已经积累了大量的乏燃料,并且在开发工作上已经取得了一定的成绩。混合能源堆的概念立足于近期可预期达到的聚变功率,另外,合金材料的选择上可以参考美国在这方面的工作,轻水冷却方式可以参照压水堆的成熟技术,所以,有了这些成熟技术的支撑,在在一定程度上可以降低混合能源堆的开发难度。天然铀启动和压水堆乏燃料启动的混合能源堆都可以有效降低聚变中子源强度,能量放大倍数在十倍以上,对核能的可持续发展具有重要意义。

四、总结

未来的二十年是核能高速发展的时期,在美国率先提出的反应堆计划中,在2037年左右,将开启磁约束聚变演示堆计划、激光聚变演示堆计划、以及Z箍缩聚变演示IFE计划,这些计划对今后国际上能源布局将产生深远影响。我国要把握住这次机会,今早开展混合能源堆的研究工作,进一步提高科学技术水平,以便能够突破对聚变能的开发,有效解决我国能源短缺问题,并且在某种程度上缓解环境污染成程度,实现资源的可持续发展。

参考文献:

[1]彭先觉,师学明.核能与聚变裂变混合能源堆[J].物理,2010,06:385-389.

[2]刘国明,邵增.混合能源堆裂变包层核燃料成本分析[J].核科学与工程,2017,01:154-160.

[3]刘成安,师学明.聚变-裂变能源混合堆可行性及在我国核能发展中作用的分析[J].中国工程科学,2011,03:24-28.

作者:刘长宁 单位:河北省唐山市第一中学

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