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林溪石:第五代核电技术要求和初步方案设想

来源:《中国高新科技》期刊社    时间:2021-01-22    

  2020年8月15日,中国科协在第二十二届中国科协年会闭幕式上发布了10个对科学发展具有导向作用的科学问题,其中的一个问题是第五代核能系统会是什么样子?就这个问题,广州聚变科学研究所所长兼总工程师林溪石召集有关专家进行了探讨和研究。

  第五代核电的技术要求

  林溪石团队总结了各位专家的意见后认为第五代核电应满足以下基本要求:①单体发电量应在2GW以上;②零排放;③无辐射,五代核电厂中心距离在5km范围内用灵敏的辐射仪器探测,不会测量出高于本底的β射线和伦琴射线(即X射线),用1mm厚的铍合金简易屏蔽,基本上测不出中子流,五代核电厂无须依赖大的冷却水源,可建设于内陆上任何地方;④不会产生核废料;⑤核燃料是一种提取极为简单,造价低廉的可再生能源,足够人类世世代代使用;⑥第五代核电可以在常温中启动运行,采用间歇性送料、连续输出的运行方式。
       第五代核电方案设想

  第四代以前的核电都是裂变式核电站,由于聚变核电站迄今还没研发成功,所以称之为第五代核电。自然界中有两种核能,一种是裂变,由一种重金属原子在中子的轰击下产生链式裂变从而释放出大量的能量,裂变核反应的优点是不产生CO2和SO2的排放,是一种清洁能源。裂变能的另一优点是容易点火和维持反应。目前世界上绝大多数的核电站、核动力舰船都是利用核裂变的原理做成的,其应用广泛,技术成熟。但核裂变的缺点也很严重,它在反应的同时释放出大量的有害辐射,而这些辐射很容易造成二次核污染;同时,核裂变反应堆也容易出现事故,且事故影响范围大,污染周期长(如前苏联切尔诺贝利核电站和日本福岛核电站的事故)。

  另外,核裂变的燃烧废物也存在强烈的核辐射,很难处理,其半衰期达千年之久。由于核裂变存在严重的缺点,所以也限制了它的使用范围,核裂变反应堆往往需要笨重的防护装置,这些装置不但体积和重量大,同时核裂变的主要燃料是铀,而这种矿物质在地球上的储量有限,所以核裂变不是一种可再生能源。

  自然界另外一种核能是聚变能,它的原理是由两个轻原子(氘、氚)聚变成为一种较重的原子(氦),从而产生大量的能量,核聚变在燃料体积重量相同的情况下,所释放的能量比核裂变大数倍,核聚变最大的优点是没有辐射,它反应时不会释放出β射线和伦琴射线,但是能释放出微弱的中子流,这种中子流比较容易防护,如用一定厚度的木材、金属材料即可隔绝,其中用铍金属隔离最有效,厚度很薄的铍合金板可以完全隔绝微弱中子流的穿透。

  总的来说,核聚变反应堆的防护措施是很简单有效的。核聚变使用燃料主要是氘,这种元素大量存在于海水中,普通海水的含氘量约为1/6000,1L海水能提炼出的氘反应后产生的能量相当于300L汽油的燃烧热。另外,太阳除了发出光和热,还以太阳风的形式向宇宙释放出数量不等的氘原子,以宇宙尘埃的形式在太阳系中散发出来,由于地球和月球离太阳较近,散发到地球和月球的太阳风较多,而散落在地球上的氘原子大部分落在海里,散落在陆地上的氘原子也会经过雨水和河流的搬迁作用汇入大海,也就是说落入大海的氘原子是源源不断的,而太阳系已存在数十亿年,日积月累存在海水中的氘原子数量相当浩大,足够人类世世代代使用,而太阳风仍在不断补充,所以核聚变是一种可再生能源。

  核聚变的点火条件是当两个氘原子的距离靠近飞米级时会发生核聚变反应(1飞米(fm)=0.000001纳米(nm)),形成一个较重的原子氦,同时释放大量能量,想要达到这种条件,要求环境温度高达几千万甚至上亿摄氏度,或者施加上百万兆帕的压力才能达到,这在地球环境中暂时难以实现,为此科学家们想出各种方法,其中一种是使用多束大型激光同时照射氘丸,使其局部温度瞬间达到上亿摄氏度,从而实现聚变反应,这种方法叫做惯性约束。

  另一种方法是用强大的电流注入线圈形成环形磁场,将氘原子注入磁场内使之进入悬浮状态,利用中子流轰击氘原子使其温度上升接近1亿℃,直至聚变反应,这种方法叫做磁约束,也叫托卡马克装置。托卡马克装置是前苏联莫斯科库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代末发明的,后来世界各国的科学家们也纷纷利用这种原理来实现核聚变,目前法国正在筹建的国际合作核聚变实验装置ITER也是这种装置。以上两种方法存在很多难题无法解决,需要继续完善,如燃料的注入问题、核能的输出问题、装置的稳定运行问题等。迄今为止,聚变核电站还没有成功,国际上的专家们普遍认为要实现核聚变发电还需要世界各国的科学家们共同努力50年以上。

  能否运用巧妙的方法尽早实现核聚变发电方案呢?答案是肯定的。林溪石团队经过研究认为有个初步方案能够实现聚变发电,这个方案的名称叫做多层壳约束微当量重水燃烧弹聚变核电站。初步设想是制造一个直径50m高50m的钢筋混凝土外壳,外壳的内部由多层构成。第一层传热层,由耐高温的钢合金构成;第二层换热层,由低熔点金属材料构成;第三层隔热层,由耐火材料构成;第四层持力层,由一定厚度的钢筋混凝土构成。当在壳体的中心位置引爆一颗微当量重水燃烧弹时(约80tTNT当量),壳体内部会出现高达1500℃的温度及2000MPa的压力,此时壳体的导热层会将热量逐步传递给换热层,换热层的液体金属在高压泵的作用下逐步循环散热,同时将热量传递给设置在壳体周边的高压蒸汽锅炉,从而将能量传递出去,通过蒸汽轮机发电,电力经过并网输入电网完成发电任务。

  隔热层的作用是将换热层高达500℃左右的温度隔绝,使高温不会传递给钢筋混凝土磁力层,保护磁力层不受损害。多层壳约束微当量的核心技术是制造微当量小型重水燃烧弹,国际上习惯称1000tTNT当量以下的重水燃烧弹为小当量,少于100tTNT当量的重水燃烧弹为微当量,小当量、微当量的重水燃烧弹在军事上用途很广泛,陆军可用于装填远程火箭炮,海军可用于打击大型水面舰艇及反潜,空军可用于摧毁敌方的大型机场和机库。重水燃烧弹的微型化是世界各国军事科研部门一直在研究的项目,如美军已大量装备了这种武器。

  微型重水燃烧弹由于当量小,破坏范围不广,不属于大规模杀伤武器,所以并没有遭到世界各国的谴责而限制其发展。重水燃烧弹当量的大小可以通过调整原料DO2的数量和丰度来实现,但需要通过大量试验来验证,这种试验不仅周期长且需要投入一大笔经费,不是一般小国家能够承担的。聚变核电站使用的氘丸就是利用军事上小、微当量的重水燃烧弹来实现的,无须另外投入研发费用,属于军民融合项目。

  微当量重水燃烧弹的发射装置是一种管状发射器,其原理相当于加农滑膛炮,利用弹丸的高射速来稳定出炮口的弹道,弹丸的发射间隔为每5min一发,发射间隔时间装定及弹丸的装填可用程序控制,自动完成,在离炮口25m的距离位置上爆炸,时间引进可利用现代数码雷管技术来实现在线装定。现代数码雷管技术的定时很准确,可精确到微秒级,数码雷管和核点火雷管是一体化的,只要军方立项,一般雷管厂可以完成研发任务。

  第五代核电的开发计划建议

  第五代核电的研发周期大约需要5年左右的时间,整体造价不会很高,可控制在每座100亿人民币左右,建议国家发改委将发展第五代核电的项目列入国家第十四个五年计划,同时建议科技部将第五代核电的科研计划作为重大专项立项,组织有关科研部门、军工企业及有关能源部门共同完成。第五代核电是一项造福全人类的颠覆性能源革命,其影响力不亚于18世纪蒸汽机的发明和20世纪的原子弹发明,它将一劳永逸地解决人类的清洁能源问题,五代核电也是最尖端的科学技术,谁掌握此项技术,谁就掌控能源科学的制高点,希望国家有关部门和领导能够重视。

  此项目的起步阶段需要的人力和经费并不高,如研发成功的微当量重水燃烧弹,它是整个项目的核心,重水燃烧弹使用数码核雷管来点燃,数码核雷管由于涉核及有军事用途,需要军事部门向军工单位下达任务才能进行。第五代核电一旦研发成功,可逐步将我国260多个大型燃煤发电厂更换成五代核电厂,这将彻底解决我国能源长期对煤炭和石油的依赖,同时创造出一个数万亿人民币产值的新型行业。

  撰稿:田 梦

  本文刊发于《中国高新科技》杂志2020年第19期

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