admin 你想象过未来用“核电站宝藏”给家庭供电吗？我国到期快中子反应堆研发突破成为可能。
如果福岛使用铅冷却剂，灾难或可避免。文/记者 白竟楠 图文编辑/陈永杰 新媒体编辑/吕冰心
采访专家：
叶奇蓁 中国工程院能源与矿业工程学部院士
在一处只有几千户人口的偏远山村，不远处有一个像集装箱一样的装置，村民们可以通过它烧热水、看电视、给手机充电，这并不是普通的供电箱，而是一个小型的核供电装置，而村民们也不会受到辐射的危害。这一场景或许在未来的某一天就可以实现。
▲快中子反应堆发电站示意图(图片来源于网络)
日前，我国铅基快中子反应堆研发工作取得重大突破，铅基反应堆核心技术实现了自主化，并跻身到了世界领先水平。沿用此项技术，未来，我国还将率先推出只有集装箱大小的迷你型核电源装置“核电宝”。以满足海岛海洋平台、偏远地区分布式供电需求。
▲央视曝光“核电宝”的图片
英国《每日邮报》分享了关于这种“核电宝”的更多细节。报道称，中国正在研发的“核电宝”尺寸大约为6.1米长、2.6米宽高，与普通的货柜箱相似，但其却能够产生10兆瓦的电能，足够满足5万户普通家庭用电需求。
“麒麟一号”打破国际垄断
先解释一下基本概念吧!什么是“铅基”?核裂变时会产生热量，需要有“搬运工”把这些热量从堆芯中带出去，这个“搬运工”就叫冷却剂。铅基堆就是以铅作为核心材料带走热量的“搬运工”(冷却剂)。快中子堆的一个突出优点就是核燃料的转换率高，一定程度内可以做到核燃料越烧越多。
▲铅铋快中子反应堆的示意图(图片来源于网络)
其实，我国在铅基反应堆的研究可以追溯到16年前，早在2000年，中国原子能科学研究院承担了国家科技部973计划加速器驱动次临界系统(ADS)项目的前沿性研究。2003年，科技部启动了973项目计划下的ADS专项。2011年，中国科学院又启动了科技专项ADS专项，当时，中科院专项研究小组选择了中国铅基反应堆CLEAR(China LEAd-based Reactor)作为ADS反应堆的主要研发方向。
2012年，正式以液态金属冷却剂为核心系统的CLEAR成为“十二五”时期建设的重点项目。终于，在今年3月底，FDS团队建成了中国首座纯铅冷却剂实验回路“麒麟一号”，并实现了多项核心技术自主化，填补了国内在这一研究领域的空白。
中国工程院能源与矿业工程学部院士叶奇蓁向北京科技报/“科学加”客户端记者介绍说，全世界主要研究快堆的国家是俄罗斯和法国，铅基反应堆的研究可以追溯到上世纪50年代，前苏联于1963年建成世界上第一艘利用铅铋反应堆为动力的核潜艇，并陆续将铅铋反应堆装备到其阿尔法系列核潜艇上，并解决了反应堆堆芯和蒸汽发生器堵塞的问题。
不过，随着苏联解体，俄罗斯停止了对铅铋冷却剂的核潜艇的运行，但并没有停止研究铅基反应堆技术。如今，俄罗斯计划在2017年开始建设适合于边远地区独立能源项目的BREST-300小功率铅冷快堆核动力装置。
更安全的第四代核技术
2000年1月，在美国能源部倡议下，10个有意发展核能利用的国家派专家联合组成了“第四代国际核能论坛”(简称GIF)，并签署合约共同研发第四代核能系统。
2002年底，GIF和美国能源部联合发布了《第四代核能系统技术路线图》，选出气冷快堆、铅冷快堆、熔盐堆、钠冷快堆、超临界水冷堆、超高温气冷堆六种堆型，作为GIF未来国际合作研究的重点。其目标是要在2030年或更早一些时间开发出新一代更安全可靠的核能系统，更重要的是要把核燃料循环也考虑进去，组成完整的核能利用系统。
铅基堆属于第四代核能系统，作为具有重要发展前景的先进核能方向，被第四代核能系统国际论坛评定为“有望首个实现工业示范和商业应用的第四代反应堆”。
▲铅铋快中子反应堆外观图(图片来源于网络)
国家电力投资集团公司中央研究院先进核能研究所研究员解释说，第四代核能系统是一种具有更好的安全性、经济竞争力，核废物量少，可有效防止核扩散的先进核能系统，代表了先进核能的发展趋势和技术前沿。所以，这是国内外研究先进核能的主流方向，大家都在努力成为真正的第四代。其实，不能按一种冷却剂定义为是否成为第四代，而是我国目前研发的铅基堆也有能力符合上述四个要求。
事实上，“麒麟一号”铅基反应堆研发的每一步都充满了艰辛，其核心技术更是经历了二十余年的连续攻关。
中科院核能安全技术研究所所长吴宜灿研究员说，中国相继突破了结构材料、冷却剂、燃料组件、氧测控等核心技术，成功研制出液态重金属换热器、驱动泵、换料机构、控制棒驱动机构等关键设备，建成了世界上最大的液态金属综合试验平台，以及工程验证堆、物理试验堆、数字仿真堆三座集成试验装置，目前正在进行关键设备与技术集成验证。
铅冷快堆具有后发优势
日本福岛核事故使得铅基反应堆在第四代核能系统中的重要地位得以进一步确立。福岛核电站属于沸水堆，堆内水的热容量有限，无法满足发生事故后其冷却需求。如果福岛核电站使用的是铅冷却剂，铅的熔点是327摄氏度，沸点是1749摄氏度，单位热容量比水大，正常运行温度远低于沸点温度，那么事故后就可以允许用较长的时间将冷却剂加热到允许温度范围内，便于将反应堆的衰变余热导出。
专家表示，铅在常温下是固态金属，但是在核反应堆中要变成液态，所以需要运行在一定温度下。添加铋形成合金主要是为了降低冷却剂的熔点。铅基堆也可以加锂，而加锂的主要目的是产氚(氚是氢的同位素，是核聚变堆的原材料之一，也是核武器氢弹的原材料)，目前开展研发的大部分铅基堆使用的是铅铋合金或者铅。
在第四代核能系统中，金属冷却剂有铅和钠两种，各有优势。由于铅的化学性质稳定，铅基冷却剂的技术难度虽然更高，但避免了与水或者空气发生强烈化学反应等安全问题。
首先，铅的原子量比较高，所以堆芯的中子能谱比较硬，如果设计的好，可以使核燃料的增值效果比较好。打个比方，如果把核燃料比作煤球，普通的煤球只能烧一天，但如果放到快堆中能烧十天。一边烧一边再生产新的燃料，这就是增殖效果。还可以嬗变核废料，以减少核废料的产生量，从而大幅度减小废物处置量。
其次，铅金属的安全性高，铅虽然属于金属，但如果暴露在空气中，其表面只会缓慢地形成一层氧化膜，与空气、水、氧气都不会发生剧烈反应，所以核电站使用铅提高了其固有安全性。这也是前文讲福岛核电站用铅基冷却剂就可以避免灾难的原因之一。
同时，如果铅不小心发生泄漏，就会凝固成固体金属，不需要配备额外更多的安全措施。
▲我国第四代核电技术进国际先进行列(图片来源于网络)
但是，铅冷快堆最大的技术屏障就是材料腐蚀问题，这也是目前没有推广开来的重要原因之一。钠冷快堆用不锈钢已经比较成熟，而同为第四代核能系统的熔盐堆可以使用富镍钢做材料，而铅对富含镍等不锈钢的腐蚀性比较强。目前，国际上铅冷快堆用关键材料已经取得了很大的突破，国内相关研究也取得了比较好的成果。比如可以在钢材料上喷涂铝或者在基体中添加铝化物，以形成坚硬的三氧化铝等，这也是国际上目前比较先进的解决手段。
建成铅基试验回路主要有几大工程目的：其一是材料腐蚀实验，其二是热工水力试验，同时也要测试各种仪表装置在铅环境下的可使用性。所以，“麒麟一号”实际上是一个“探路者”，是发展铅铋快堆技术的一个十分关键的步骤和实验装置。
“核电宝”不是梦想
中国核电技术始于上世纪七八十年代，1991年秦山核电站建成并网发电，使我国成为世界上第七个能够自行设计和建造核电站的国家，使用的是技术成熟的压水堆，属于第二代核电技术。
第三代核电技术也是我国目前所处的阶段，在第二代核电机组已积累的技术储备之上，进一步采用经过开发验证可行的新技术，安全性极高，像福岛事故在中国是不可能发生的。其一系列的技术特点都标志着技术更加成熟，安全性能更好。
目前，国际上开发的第三代核电堆型都是热中子堆，如压水堆、沸水堆。我国在2010年在浙江三门新建的AP1000核电站机组是世界上第一座第三代核电站，比美国提前了两年半。
▲目前，我国使用的核反应堆大多是第三代反应堆，第四代核电技术正处于研究过程中(图片来源于网络)
对于正处于研究阶段的第四代核电技术，吴宜灿表示，计划用5年左右的时间完成一个迷你小型反应堆的建设，并将它命名为麒麟号“核电宝”，铅基反应堆可作为未来先进核能源的主力堆型，在第四代核电、核废料嬗变的加速器驱动次临界系统(ADS)、未来聚变电站等发挥作用，同时也可应用在低温制氢、海水淡化、民用放射性同位素等工业生产的多个领域，为清洁能源发展起到积极作用。
的确，铅这种材料如果应用到核电站中会产生非常高的效率，不过在专家看来，目前最大的挑战还是新材料的研发和成本问题，如果要应用到民用领域，屏蔽辐射也是关键问题之一。
“核电宝”并不是一项不可实现的技术，但是在未来广范围应用首先要保证安全问题，除了其自身的技术安全，还要有一定抵御攻击的能力。“从技术上来说有挑战，在民用范围最主要的问题是辐射防护和安保。” 先进核能研究所一位研究员对记者说。
叶奇蓁表示，铅冷快堆可以被前苏联应用到潜艇上，说明的确可以做的很小，但是如果用在非军用环境下，屏蔽设施依旧需要很大空间。如果要做真正的“核电宝”，铅基快中子反应堆的辐射防护问题将是难点所在。辐射屏蔽设施是否真的能做到那么小，还是一个疑问。
核能是当今世界发展不可缺少的能源，而且随着化石能源的枯竭，核能的重要性与日俱增。在未来的20年后，对于电力的需求将会是现在的2倍，到2050年将会是现在的3倍，或许，只有核能才是能源在未来发展的唯一寄托。
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