最新公告:

中华视窗是诚信为本,市场在变,我们的诚信永远不变...

中华视窗

咨询热线

400-123-4657

行业资讯

当前位置: 首页 > 新闻动态 > 行业资讯

核废料问题,竟然可以完美解决?解析目前核电站的缺点&解决方案

添加时间:2024-01-20

/

核废料销毁_销毁核燃料_核废料储存措施被摧毁

1986年乌克兰切尔诺贝利事件

这是一个系列的第4部分。如需从头读起,请在这里找到第1部分,在这里找到第2部分,在这里找到第3部分。

第1部分:可再生能源,是“新能源”时代的最佳方案?详解核能&碳中和未来

第2部分:过度使用“可再生能源”,却物极必反?分析德国能源转型的僵局

第3部分:法国核电水平,竟远超德国?押宝核能的法国,能源未来将是好是坏

目前,核反应堆的存在着哪些问题?

核能发电——以其目前使用和设计的形式来看,存在着很多很多问题。(典型例子,就如同前几期评论里都热议的核废料处理问题)

为了更好地理解,开发新反应堆设计背后的动机:首先,让我们简要回顾一下主要的问题所在。

(1) 核裂变反应堆产生大量的放射性物质,因此必须要做到不危害人类,并在任何情况下都必须防止其释放到环境中。一个复杂的因素是裂变过程本身的“混乱”性质:它产生了散布在周期表周围上的几十种不同放射性同位素——这些物质的化学和物理性质差别很大。处理这一问题将带来了巨大的技术挑战,并需要多个安全壳和屏蔽结构,以及处理、运输和储存放射性物质(以及核废料)的详细措施。所有这些都使核电站的建设和运营成本成倍增加。

(2) 裂变反应中的能量产生是基于裂变链式反应,而这种反应本身具有指数增长的趋势,需要主动和被动机制来限制功率输出,防止失控事件的发生。由于物理上的原因,裂变反应堆不可能像炸弹一样爆炸;但即使是缓慢的失控反应,也可能造成灾难性的后果,就像切尔诺贝利核反应堆可能发生的那样。

销毁核燃料_核废料储存措施被摧毁_核废料销毁

(3) 在裂变链式反应停止后的数天内,裂变反应堆核心的放射性物质持续产生大量的热量(衰变热)。这些热量必须通过主动和(或)被动冷却系统以某种方式排出,以防止反应堆堆芯熔毁,造成潜在的灾难性后果。

例如:2011年3月,福岛核电站遭受15米高海啸袭击的那一刻,该核电站所在地的三座运行中的反应堆,已经因之前的地震而自动关闭。但由于海啸波的影响,海啸的冲击摧毁了外部电源和核电站自身 的应急电源系统。随后发生了一系列复杂的事件,反应堆堆芯无法维持有效冷却,三座反应堆的堆芯随后全部熔化。

核废料销毁_销毁核燃料_核废料储存措施被摧毁

碎裂的燃料棒中的锆与沸腾的冷却水中的蒸汽发生反应,产生了氢气,导致反应堆上部建筑发生爆炸。大量放射性元素被释放到环境中。幸运的是,在此次事件中,高辐射暴露对普通民众的直接健康影响(包括长期预期寿命)似乎不是特别严重。相反,更为严重的是,由于该事件紧急疏散带来的压力和困难影响,以及农作物、土壤、海陆生物的长期影响,是在短期内难以抹去的阴影。

(4) 现今核电站的燃料循环存在用于制备核武器扩散的风险,这与核电站依赖大规模同位素分离,以及反应堆运行期间钚的生成有关。国际管制制度(由原子能机构建立)就是为了解决这一问题。然而,一些国家还没有接受这些管控措施(例如,朝鲜和核协议签署前的伊朗)。

(5) 现今轻水反应堆可经济开采的铀储量数量有限,而且在世界各国的分布也很不均匀。

(6)目前的轻水反应堆需要浓缩铀燃料。建造合适的铀浓缩工厂成本高昂,而且很少有国家有这样的工厂。

(7)最重要的一点!:一般来说,今天的核能发电与传统的化石燃料电厂相比——充其量也并没有如此巨大、决定性的成本优势,特别是在化石燃料价格较低的情况下。从历史层面来看,使用核能的决定性因素:主要是出于战略性考虑,特别是能源安全,而不仅仅是经济原因。

(8) 由于核电站的复杂性和繁琐的许可证和许可要求,建设新的核电站需要很长的准备时间和漫长的建设时间。

(9) 现在的核电站使用非常大型的反应堆机组,导致了非常高的单位资本成本,对于一座发电量为1千兆瓦(1 GW)的核电站,大约300亿到700亿人民币。这对于某些国家来说,这笔资金的融资极为困难,从而将核能发电——置于包括发展中国家在内的许多潜在用户的范围之外。

纵观一下这份清单,就可以看出当今核能发电所面临的巨大挑战。

核废料储存措施被摧毁_销毁核燃料_核废料销毁

新设计变革——如何完美解决核废料问题

对于上述的大多数问题,如果将每一个问题分开考虑的话,都有相对较好的解决方案。例如,无论核电站操作人员做哪些失误操作,也不管反应堆结构可能发生怎样的损坏,建造一个可以通过物理特性排除失控反应的核反应堆,目前是可行的。

仅仅通过物理机制,就可以建造完全依靠被动式冷却的反应堆,这样即使所有主动冷却系统失效或关闭,也可以排除熔毁的可能性。(最近国内自主的第三代核电站有着异曲同工之处)另外,有一些可实现的反应堆设计,其可以很少或根本不产生长寿命的放射性同位素,甚至可以“燃烧”放射性核废料来产生能量。

销毁核燃料_核废料销毁_核废料储存措施被摧毁

销毁核燃料_核废料销毁_核废料储存措施被摧毁

德国温德兰(Lüchow-区)居民对该国的核政策发起了强烈的抗议,每年 " "运输到德国高放射性核废料的临时储存设施,以及在-盐穹顶建立高放射性核废料储存库的计划。

其实,在目前的核电站中,已经有一些反应堆不需要同位素分离就能生产燃料,还有一些反应堆实际上是已经可以做到防核泄漏。另一方面,从核电站的设计方面来看——小型模块化反应堆,只需要现今常规核电站投资成本的百分之一都不到。另外还有很多方法可以通过核能大大降低电力生产成本。

但是,最大的问题是——如何将这些优势结合在一个系统中。

目前,有许多先进的核反应堆设计,已处于不同的发展阶段,它们有望弥补传统核能的缺点——至少在相当大的程度上是如此。在这里,笔者将介绍四个(笔者自身认为,非官方)最有希望的基本解决方案:(1)熔盐反应堆;(2) 行波反应堆;(3)球床高温反应堆;(4)小型模块化反应堆。虽然接下来的讨论内容,听起来可能会像推销广告或者怂恿发展极端核能主义一样,但笔者将不过多讨论这四种方案中存在问题的方面。同时,笔者也暂不讨论目前正在研究中的新型和反应堆的无数变种和组合。(上面两点会在后续文章中陆续详细分析——)

核废料销毁_销毁核燃料_核废料储存措施被摧毁

现有的两种解决方案:根除核废料产生&回收再利用

在试图解释这四种极具潜力反应堆类型的特殊之处之前,我们首先介绍一下基本的物理学知识(以便更好地理解后续内容)。

核裂变的关键因素是——中子。这种奇妙的粒子是原子核的两大组成部分之一,另一个是带正电的质子。但当中子被释放出来在空间中移动时,它就变成了强大的变化媒介。因此,谁能产生大量中子,谁就是核世界之王。由于是电中性的,中子很容易穿透原子核。这会产生两种极为有趣的结果。最终会变成这两种情况中的哪一种,取决于原子核的类型和入射中子的速度。

其中一个结果就是原子核分裂成碎片——核裂变。如果选择了正确的原子核,我们不仅可以得到能量的输出,而且还可以得到更多的中子。如果周围有更多合适类型的原子核,我们可以得到一个自我维持的链式反应。当然,这就是裂变反应堆产生能量的基础,也是利用裂变反应作为中子源来做其他事情的基础。

核废料储存措施被摧毁_核废料销毁_销毁核燃料

吸收中子的第二种可能结果是——原子核变得不稳定,但没有分裂成碎片;相反,它迟早会经历“放射性衰变”,释放出高能粒子(α、β或γ粒子)。在α衰变或β衰变的情况下,我们得到一种不同元素的同位素——嬗变。

利用中子嬗变原子核的潜力,为传统核反应堆几乎无法利用的终极问题提供了巨大的可能性。

一种是 "培育 "更多的核燃料。目前,核能发电几乎完全基于一种燃料:铀同位素铀235(U-235),它占天然铀的0.7%。剩下的99.3%由铀238(U-238)组成,由于物理性质的原因,铀238(U-238)并不能进行自我维持的链式反应。

然而,如果我们有足够的中子,我们就可以将铀238(U-238)嬗变为一种优良的核燃料——钚(更准确的说是钚239),从而使核能发电的资源基础增加140倍。

核废料储存措施被摧毁_核废料销毁_销毁核燃料

我们可以通过将钍转变成另一种铀的同位素铀233(U-233),来产生更多的核燃料。铀233(U-233)不仅是一种优良的燃料,而且它的裂变只产生寿命相对较短的同位素,从而大大减少了核废料的问题。钍在自然界中的含量至少是铀的3倍。

其次,我们可以利用中子来“燃烧”核废料。这是通过将放射性同位素转化为稳定的同位素,或者至少是寿命较短的同位素来实现的。在这个过程中,我们也得到了额外的能量。然而,大众认知中经常被提及的——所谓的核废料绝对必须储存数千年或更长时间,这是不正确的。相反,一些在图纸设计上的反应堆将可以使用 "核废料 "作为燃料。正如一位科学家曾经说过的:“如果我们把核废料埋起来,那么以后人们就会把它作为一种宝贵的资源来开采。”

核废料销毁_核废料储存措施被摧毁_销毁核燃料

做这些事情的关键要求是:

(1)能够产生超过维持裂变反应所需中子的过剩中子。这有时被称为 "中子经济"。在反应堆中,中子不断地产生。它们要么被吸收,要么逃逸到外部。

(2)能够“调谐”中子到合适的能量,以达到预期的用途。核反应受各种共振现象的控制。

考虑到燃料混合物、冷却剂、堆芯成分和反应堆几何布局的选择,使我们有很大的余地来提高中子经济性,并根据我们的要求塑造中子能量谱。例如,事实证明,当中子的原始能量被减慢时,裂变反应往往会更有效地发生——这一要求可以通过使中子与某些材料(所谓的调节剂)相互作用来实现。

当然,反应堆本身只是核电站的心脏。核电站的其余部分(冷却剂回路、换热器、泵、涡轮机、控制系统、安全壳等建筑)——对于安全,特别是成本来说,也同样重要。在现代核电站中,反应堆本身只占成本的20%左右。但是,新的反应堆类型可以开辟这一道阻碍,并大大简化和降低核电站的其余部分,以及为核电站提供燃料和运行所需的整个基础设施的成本。

这是一个系列的第4部分。文首可阅读第1部分,第2部分和第3部分。接下来,将介绍一下:熔盐反应堆和行波反应堆。

核废料储存措施被摧毁_销毁核燃料_核废料销毁

——专注于分享最新的能源、材料、人工智能领域最新资讯与观点

撰写:

重要声明:此处所发表的图文和视频均为作者的原创稿件,版权归原创作者所拥有。所刊发的图片和视频作品,除特别标注外,均视为图文作者和被拍摄者默认此版权之归属权。

联系我们

电话:400-123-4657

传真:+86-123-4567

地址:浙江 温州市 温州大道欧江大厦26188号

邮箱:admin@yina37.com

电话:400-123-4657 传真:+86-123-4567 地址:浙江 温州市 温州大道欧江大厦26188号
版权所有:Copyright © 2002-2024 中华视窗 版权所有 非商用版本 ICP备案编号:粤IP**********    网站地图