核電技術發展前景與瓶頸

莫志涵

摘 要：核電技術經過數十年的發展，已形成較為完整的體系。主要為核裂變技術應用，對于核聚變，尚未有有效的使用方法。而對于核電，也有不少人持反對態度。而核電是否能得以發展，根據目前的研究進展及人們對清潔能源的需求產生的動力，使該技術的前景值得期待。

關鍵詞：核電技術 裂變技術 核聚變 發展前景

中圖分類號：F062 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（a）-0064-02

1 是否有可能提高裂變技術

核裂變（Nuclear fission）又稱核分裂，是一個原子核分裂成幾個原子核的變化。裂變只有一些質量非常大的原子核像鈾（yóu）、釷（tǔ）和钚（bù）等才能發生核裂變。這些原子的原子核在吸收一個中子以后會分裂成兩個或更多個質量較小的原子核，同時放出2～3個中子和很大的能量，又能使別的原子核接著發生核裂變……使過程持續進行下去，這種過程稱作鏈式反應。原子核在發生核裂變時，釋放出巨大的能量稱為原子核能，俗稱原子能。而原子能的局限在于對燃料的使用。

（1）已探知的鈾的含量尚算豐富，釷與钚也較為豐富，可以認為燃料數量并不影響太多，關鍵在于燃料的提取。目前鈾的提取方法為浸出法，效率處于80%左右。也有各種其他浸出法，包括新研發的細菌法，但效率提高并非立竿見影。提取核燃料的技術也不可能有較為明顯的提升，畢竟燃料并非嚴重困難，提取方法改進帶來的效率提升并不可能改變核能燃料整體的成本。

（2）核電站燃料的使用方法與熱電廠末端相差不多，通過冷卻劑驅動汽輪發電機。在這方面上的提升空間有限，受限于冷卻劑本身的溫度與外界的熱傳導，汽輪機的效率限于50%左右，而效率提升重點在于對核燃料的使用率。燃料使用時散發熱量取決于運行功率。而降低運行功率會導致鏈式反應無法繼續。中科院最近提出的Z箍縮聚變-裂變混合反應堆概念可以說是行業的一大進展。Z箍縮聚變-裂變混合堆主體部分由Z箍縮聚變堆芯、裂變包層、產氚包層和燃料循環系統等組成。在聚變堆芯中，重頻驅動器輸出的60 MA超強電流，產生的強大洛侖茲力引起箍縮效應，創造受控熱核聚變所需的超高溫、超高密度狀態，用以加熱并壓縮含氘氚燃料的聚變靶丸，并使其發生可控的熱核聚變反應，輸出大量高能聚變中子；在高能聚變中子作用下，包裹在聚變堆芯周圍的鈾238發生裂變反應，產生穩定、可控的輸出巨大能量；裂變包層泄漏中子用于產氚，在燃料循環系統中實現氚的“自持”循環。氚的使用也是為了提高鏈式反應效率。而降低反應功率可提高對于鈾的使用率。對于輕核聚變的結合，有助于真正清潔能源的研發過程上提高傳統技術效率，燃燒效率可達90%。當然，投入使用仍然需要較長周期。

（3）快中子反應堆可以說是技術思路的極大突破，發掘原本沒有利用價值的鈾238，實現核燃料的無數倍增。主要問題在于安全。日本“文殊”反應堆因鈉的泄出至今已準備報廢，但快中子的潛力仍有許多，相對于核聚變的遙遙無期，這已是最有希望的擴大核電規模的技術，當然存在許多技術問題尚未解決，難點主要在于剩余熱量的導出，以及各種工程問題。

（4）熱核技術的安全性。目前受到的關注最多。對于核電站的安全防護，主要有各種防護層，包括燃料元件包殼、壓力殼（即反應堆冷卻劑承壓邊界）、反應堆安全殼、廠區分隔和站外應急設施。只有全部損壞才會導致安全問題，安全性相對較高。主要危險也在于溫度過高后控制單元的損壞導致余熱無法導出。但總的來說，安全問題盡管不一定會出現，安全防護卻不能少。相比較其余發電方式，可以說核電還是較為安全的。而安全措施已較為完善，提升方式主要在于反應時間的減少和管理水平的提升。

（5）核電設備的發展。學術上通常把核電站的組成設備稱為核電設備，各系統的設備約有48 000多套件，其中機械設備約6 000套件，電器設備5 000多套件，儀器儀表25 000余套件，總重約6.7萬t。一座2×600MW的壓水堆核電站約有290個系統，分別歸屬核島（NI）、常規島（CI）和電站輔助設施（BOP）。

核電設備是核電技術發展的基礎，其制造水平決定了技術應用的可能性，近些年來，節能減排成為全球的焦點問題，核電重新進入人們的視野，核電發展成為熱潮，也給核電設備的制造和發展提供了歷史性的機遇。我國核電工業發展較晚，從1991年我國第一座核電站—— 秦山一期并網發電建立以來到2008年，我國已有6座核電站共11臺機組投入商業運行，2009年我國核電技術自主化捷報頻傳，首批三代核電自主化依托項目在此年全面開工建設。2010年開始，由沿海延伸至內陸的許多省份都開展了核電站建設的大動作，為核電設備發展提供了更為寬闊的領域。我國核電設備的蓬勃發展引起了國外的關注，俄羅斯與我國就核電開展合作，將聯合建造漂浮核電站。漂浮核電站能夠為邊遠地區提供能源，并且不怕地震，能夠幫助應對各種有利工具。

近年來，美國、日本、法國等國的核電設備制造企業紛紛進入中國核電設備市場。伴隨著國產化程度的不斷提高，核電技術的不斷發展，必然會推動中國核電設備的不斷升級。就我國核電設備發展來看，具有良好的發展前景，而國際核電設備制造業更為先進，并且技術和資源更為豐富，其發展前景更加樂觀。

2 關于核聚變的發展方向

熱核反應或原子核的聚變反應，是當前很有前途的新能源。參與核反應的氫原子核，如，氫（氕）、氘、氚、鋰等從熱運動獲得必要的動能而引起的聚變反應（參見核聚變）。熱核反應是氫彈爆炸的基礎，可在瞬間產生大量熱能，但尚無法加以利用。如能使熱核反應在一定約束區域內，根據人們的意圖有效地控制產生與進行，即可實現受控熱核反應。這正是在進行試驗研究的重大課題。受控熱核反應是聚變反應堆的基礎。聚變反應堆一旦成功，則可能向人類提供最清潔而又是取之不盡的能源。

（1）熱核反應可能的方法，上文提到的Z箍縮聚變-裂變混合反應堆概念算是一種新的嘗試，目前主要有前景的在于托卡馬克裝置的再研發，目前最好效果為102 s，離實用還有很長的路，還有希望的方法為慣性約束，當然也困難重重，僅處在實驗室階段，使用至少還需50年。當然，熱量的導出也是不小的難題，但相比于極大的能源總量，導出時可能的損失也可以忽略。至于科學界的反面典型，被鼓吹的冷核反應，并不可能報什么希望，畢竟連已知原理的方法也較為困難，當然也不排除科學原理的創新。

（2）安全性上顯然輕核比重核更加重要，但因聚變反應本身需要的高溫，失去控制的反應反而不易發生，最重要的在于沒有了輻射的危害，也就沒有了核廢料的處理困難，所以前景上來看，核聚變更可靠的。只是實施時間過長，不知何時才能投入使用。

（3）燃料來源與常人想法不同，盡管氘為最常見的元素，但是反應需要的氚并不常見。幸虧通過鋰的裂變可以產生氚，而鋰也是極為廉價的礦物之一。才使得大力發展核聚變成為可能。當然技術突破如果發生，直接可以使氘氘發生反應。總之，原料問題并不需要考慮，也極易獲得，沒有成本問題。

（4）一旦實現核聚變的使用，對于世界的能源產業肯定會有翻天覆地的改變。只是等實施成功，常規能源也幾乎消耗盡了，可以說這也是不得不進行的選擇。

綜合核能源的發展，最有希望的在于快中子反應堆以及核聚變的使用，無論是慣性約束還是磁約束，都有成功的可能。而目前最可行的是快中子，突破瓶頸也是最有希望的。

參考文獻

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[2] 王凱.李國瑾.新時期核電站廠址選擇與項目前期管理研究[J].中國核電，2013（3）：246-250.