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领先中国20年?印度最得意的「快堆」技术,到底是什么?

2024-09-17军情

嘿,说起喜马拉雅山那边的印度呀,在咱中文互联网上老能瞧见各种负面消息。可实际上呢,印度这个发展中国家这些年经济发展挺猛的,在某些高科技方面也有成绩呢。

就像印度这些年一直在搞那超厉害的快堆技术,都在全世界领先呢,有些印度专家还觉得比咱中国领先 20 年呢!

嘿,那印度那快堆技术到底先进到啥程度呀,咱中国在这领域又有啥发展没呢?

【核裂变为人类打开核能的大门,却不得不应对核燃料之匮乏】

说起快堆技术,那得先弄明白核反应堆咋工作的。

1938 年德国那俩科学家迈特纳和哈恩想造比铀还重的原子,结果用中子去轰击铀的同位素铀 235 的原子核后啊,这原子核被中子一轰就进入不稳定状态啦,接着就分裂成俩甚至更多新原子核啦,后来这现象就叫核裂变现象。

而且还发现铀 235 这类元素在进行核裂变的时候,它自身还会不停地释放出中子去轰击别的原子核呢;这就被科学家称作链式反应啦。

再深入研究发现,在核裂变过程中,有相当于 0.186 个质子那么多的质量消失了,根据爱因斯坦的质能方程能证实这些质量全转化成能量啦!

这一发现让人类能利用核能啦,差点就让纳粹德国抢在前面造出核武器给人类带来大灾难呢。幸好盟军各种破坏,德国原子弹计划彻底完蛋啦,美国也是到二战快结束的时候才成功爆炸第一颗原子弹。

原子弹那威力可老猛啦,可它本质就是那没法儿完全控制的核裂变呢。所以在搞原子弹研制的时候,科学家们也一直在琢磨咋能让那链式反应慢下来,好让能量能被咱人类给利用上。

1942 年美国那帮科学家费米领着他的团队,搞出了人类史上第一个核反应堆。

反应堆工作原理就是靠着能吸收中子的镉棒跟装有点铀 235 的燃料棒混一块儿,就能把核裂变速度给控制在超稳当的区域里,好让释放出的热量能被水或者其他介质导出去用来发电。

二战后啊,美苏那些科技强国在全球各地建了好多座核电站呢,核能发电的占比很快就到了将近 10%。可在修建还有运营核电站的时候,科学家们瞅见了一个超大的隐患。

那就是当下的核电站技术呀,虽说反应堆的结构有压水堆、沸水堆之类的,但本质上都是拿铀 235 当裂变材料的。

关键问题是在天然铀矿里,铀元素超 99%都是没法参与链式反应的铀 238 也就是贫铀,铀 235 也就是浓缩铀的比例才 0.714%。要把这么少的浓缩铀从贫铀里分离出来,就得用离心机这类设备,得花好多钱和好多能源呢。

当下国际标准核电站里铀 235 的丰度是 3%到 10%哟,要弄 1 公斤铀 235 得处理 200 吨铀矿石呢。而且啊,把浓缩铀提炼出来后贫铀基本就没啥用啦,可在提炼过程中又没法把放射性物质完全给弄没喽。

所以铀 238 就成了有放射性的没啥用的废物,各国为把核废料无害化处理还得耗费好多资源呢。

有人或许晓得当年美国造原子弹的时候有两颗用的是铀 235,扔到长崎那枚「胖子」原子弹里的核裂变材料是钚 239。

虽说钚 239 也能参与链式反应,可它自身剧毒且过于敏感呀,所以在传统核电站里,几乎就只有铀 235 这一种裂变材料啦!

当下全世界的核电站每年得消耗将近 6 万吨铀原料呢,可全世界的铀矿也就仅仅 459 万吨罢了。

这么推算下来呢,现在的核电站也就只能运行个几十年,那人类想用核电去取代煤呀、石油这些化石能源,根本就没可能啦!

【快堆实现用快速中子产生核裂变,前景诱人却很难实现商业化】

那能不能在贫铀那捣鼓捣鼓,让它也能参与到链式反应里头呀?经过科学家们反复地试验摸索,发现要是用快速中子去撞击铀 238 呀,没准儿就能让铀 238 把那个中子给吸收了,然后变成新的铀 239 啦。

铀 239 要是再进行衰变,也就是原子核里一个中子变成质子后,就变成能用于核裂变的钚 239 啦。要知道现在那些核电大国都储存了几十万吨的铀 238 呢,只要把其中一部分转化成钚 239,那全世界核燃料的储量就能大大增加啦!

可虽说这原理挺简单,可实际操作起来那叫一个难呐!在传统核电站里呀,就因为中子速度贼快还老变方向,为了不让中子还没跟原子核反应就跑出核燃料外面去,那核反应堆里的核燃料棒就得泡在减速剂里呢。

那就是得人为把中子速度降下来,这样才能保证链式反应正常运行。所以咋设计快中子反应堆(快堆),用快速中子去激发核裂变,就成了科学家研究几十年都没解决的难题。

科学家发现快中子反应堆既能把废物变宝贝,还能形成核燃料闭合式循环呢,而且在运行过程中会不停地产生新燃料,就跟越烧越旺似的。

比如说在快堆里同时搁进去少量的铀 235 还有大量的铀 238 呀!先让铀 235 搞链式反应放热,还能释放中子把一部分铀 238 变成钚 239 。等钚 239 也参与到链式反应后,就会释放出更多中子去照射剩下的铀 238 啦!

这样就能在反应堆里一步步把废物变成宝贝,而且反应速度能一步步加快。理论上讲这反应堆里的所有核燃料都能参与链式反应,那就意味着这反应堆装填完能稳稳当当地运行几十年都不用再添核燃料啦。

这就让快中子反应堆既具备经济性,又有安全性方面的优势哟!

由于快中子反应堆那可是知易行难呐,即便西方国家都研究好几十年了,可到现在就只有前苏联在别洛雅尔斯基核电站造的 BN600 快堆投入商业运行啦。

这反应堆热功率是 1470 兆瓦呢,发电功率能到 600 兆瓦啦!

从 1980 年到现在都已经运行将近 40 年啦,并且它的发电成本比当地的火电厂还低呢。

现在它的运行许可证都延长到 2025 年啦,一直给附近的叶卡捷琳堡市供着电呢。可前苏联都没再在其他核电站造快堆,能看出技术风险还是挺大的。

【印度利用独特资源优势,以钍为核燃料走在世界前列】

在发达国家拼命攻克快堆技术那会呀,老爱自称「世界第三」的印度居然也掺和进来。要是按照研制核武器来评判核技术,印度不但比西方落后,甚至还比早在 1964 年就爆炸第一颗原子弹的中国都落后呢!

可 2017 年印度说在孟加拉湾那儿的卡尔帕卡姆市把一座功率老猛了能达 600 兆瓦的大型快中子反应堆给投产啦,印度那些专家还嚷嚷着他们的技术比咱中国领先 20 年呢!

据资料显示,印度那快堆最大的技术闪光点就是核燃料不一样。跟大家熟知的铀 235 和钚 239 不同,印度快堆用的核燃料居然是钍 232。通常情况下钍元素可不被当成放射性元素,压根就没哪个国家用钍来造原子弹呢!

不过呢,钍元素有个特别的特性哟。就像钍 232,它在吸收一个中子后会变成钍 233。钍 233 经过一回衰变就变成镤 233,再衰变又变成铀 233。而铀 233 也能在吸收中子后引发链式反应,能变成一种潜在的核燃料呢[2]。

为啥其他国家都瞅着铀 238 呢,咋就印度非得选钍 232 呀?关键是印度钍资源多丰富呀,探明储量有 36 万吨呢,差不多占全世界储量的四分之一。可印度铀矿资源那叫一个匮乏,从一开始就把印度研制核武器的速度给限制住啦!

另一方面像美俄这些国家现在公关铀 238 快堆技术呢,在冷战那会为了造核武器还有给核电站供应储存了数量超级惊人的铀 238。很明显他们有铀 238 不用,反倒去研究钍 232 那可不划算呀。

嘿,印度竟然在世界前沿的快堆领域搞出了一定成果,这看着像是意料之外,可实际上也在常理之中呗。

印度跟中国虽说都是十亿人口的发展大国,可印度压根没啥石油资源,煤矿资源也少得很呐!所以印度在能源对外的依赖程度比中国厉害多了,眼下一到夏天就闹电煤短缺的事儿。

虽说当下印度凭借国际地缘政治的优势能左右逢源,好似不咋担心进口石油和煤炭会被掐脖子。可随着印度国力增强,迟早也得像中国那样遭那待遇,这让印度领导人难免不为印度的未来发愁。

要是发展常规核电站,印度那可得大量进口铀矿石,所以利用好钍资源那对印度来说就是最佳的选择啦。可从国际核能源发展的整体情况来看,眼下钍资源压根儿没咋被大量开发呢。

要是印度真能把钍 232 拿来当快堆燃料,那绝对在人类核电发展史上是个大成就!

嘿,听着啊,据外媒说呢,那快堆本来 2012 年就该投入使用的,结果 2012 年说推迟到 2016 年;2016 年又说推迟到 2017 年,2017 年接着又推迟到 2018 年,到 2021 年都没个确切消息能证明它已经投产啦!

嘿,更让人惊掉下巴的是,那印度原子研究中心的负责人都公然说啦,印度政府正重新琢磨着要不要调整原先的建设计划,把那 600 兆瓦的生产量给降到 500 兆瓦呢!

种种迹象表明印度这快堆好像又跟它的国产航母似的成烂尾工程了,这差不多就是印度所有尖端科技发展的常见情况。

【中国一直在稳步推进核电技术,未来将在核聚变发电上引领全球】

即便印度那钍燃料快堆真有点儿本事,说领先咱中国 20 年那也太夸张啦!

首先在 1960 年快堆概念刚被提出来的时候,咱国家就着手进行技术跟踪啦。

2005 年咱国家正式定了快堆发展的国家战略,还弄了个「实验堆、示范堆、商用堆」三步走规划。2011 年咱中国实验快堆成功并网发电啦,这堆用的是在美欧那些国家都成熟的钠冷快堆技术,热功率是 65 兆瓦,电功率 20 兆瓦。

现在示范快堆正在福建霞浦建呢,估摸 2023 年能正式投产。到 2030 年前后,咱国家会陆续建一批商用增殖反应堆并网发电。在钍燃料反应堆技术路线上,咱国在甘肃武威都试运行全球首个钍基熔盐核反应堆啦。

跟现有的核反应堆相比呀,钍基熔盐堆可不会熔化毁掉,辐射量那小得很嘞!而且啊,钍基熔盐堆特别容易小型化,建设规模可大可小,特别好控制建设成本呢!

发展钍基熔盐堆的整个产业链全在咱国内搞,像上海建工给提供了所需的材料、设备还有反应堆的设计,上海电力呢就承制了堆容器、燃料盐排放罐这些设备。

所以不管是快堆还是钍燃料反应堆,中国都处在世界前头呢,就算在个别技术路线上有点偏差,那也绝对差不了 20 年那么多啦!

嘿,得留意哈,咱国家发展核电那时间可不短啦,可眼下就才 54 座核电站,核电在每年发电量里占比也就 5%罢了。

这主要是因为咱国家铀资源稀缺呀,要是像西方国家那样按相同比例建核电站,那咱国家对铀矿的对外依赖度就得超过石油啦。

那核电站自身的风险可不能小瞧了呀,福岛核事故的教训到现在都让全世界各国心里老不踏实的,在有些欧洲国家都喊出「弃核」这声来了呢。

那咱国家眼下煤电、水电这类常规能源还有开发潜力呢,在这种情况下谨慎发展核电那绝对是对的呀!

关键是就算快堆技术搞成功了,想用核电把传统能源给淘汰掉那也差得远呢,毕竟铀 238 和钍 232 的储量那也都是有限的呀。

所以咱国家在未来核电发展规划方面迈出了两大步,每一步都比印度走得远得多。

第一步就得拼命发展科学可控核聚变,说白了就是人造太阳。咱国家在 1967 年氢弹爆炸成功后,就晓得可控核聚变那些事儿啦。

在上个世纪 80 年代咱国家就搞出「中国环流器一号」啦,到现在咱在可控核聚变这一块儿那可是妥妥地走在世界前头喽!

2020 年 12 月咱中国新一代「人造太阳」在成都建好了,去年 5 月咱中国的东方超环(EAST)成功达成 1.2 亿摄氏度 101 秒的等离子体运行啦!

因为可控核聚变用到的材料能从海水中获取,那跟核裂变相比简直就是取之不尽用之不竭的呀!

再进一步那就是把目光瞅向月球啦!

月球背面老受太阳直射,那月壤里有超多的氦的同位素——氦 3 呢。科学家觉着氦 3 以后也能成可控核聚变发电的重要材料,就 100 吨氦 3 就能满足全人类一年的能源需求啦!

2019 年初咱国家的「嫦娥四号」探测器首次成功在月球背面着陆啦,这可是为以后开发月面资源迈出了关键的第一步哟!

嘿,能这么说哈,印度在那为自己搞出个核裂变那点成就就美滋滋地得意呢,可却把到现在都还没爆炸第一颗氢弹这事给忘脑后啦!

但咱中国人早就把目光瞄向更长远、更有盼头的可控核聚变发电啦!

1 公斤铀 235 释放的热量等同于 2700 吨煤释放的热量,那咋用核能来发电呢,百度学术上写着呢,2019 年 8 月 14 号的事儿。

陈文茜的解码陈文茜 2013 年 12 月 17 号在凤凰卫视播出啦,凤凰卫视播出的。

我国首座快中子反应堆实现首次临界啦!人民网报道的,2010 年 7 月 22 日。