跳到主要内容

话题

核 power

核 power

核’s new generation

01 Oct 2010

物理学家设计新型核反应堆,可能比现有植物更便宜,更环保,更安全,更安全。但正如Edwin Cartlidge讨论的那样,如果他们看到一天的光芒,这些设计必须克服主要的技术和金融障碍

领先的挑战

在美国和前苏联的三英里岛屿的意外发生了20年的萧条后,原子的力量正在卷土重来。仅在过去两年中,中国已开始构建15个新的核电站,而俄罗斯,韩国和印度也正在发起原子能的主要扩展。一些西方国家看起来加入它们:在2009年底,美国在美国提交了22个新核电站的许可证申请,而意大利政府则表示将扭转核电并在2013年开始构建反应堆。 。

这种复兴的原因并不难考虑。一个是战斗人为全球变暖的政治重要性:核反应堆在运行过程中不会发出温室气体,并且比其他低碳能源更可靠,如太阳能或风力。另一方是能源安全:政府热衷于将它们的能源和远距离化石燃料的政治不稳定供应商多样化。由于此类压力,今年6月份发表的报告由国际能源机构(IEA)和经济合作与发展组织’核能机构预计世界’在未来四十年中,S总核发电能力可能超过三倍,从目前的370升起 GW to some 1200 GW by 2050.

但是,如果这种形式的能源是继续在世纪中叶发挥重要作用,这些机构认为国家必须制定更先进的核技术。今天’最重要的是“second generation”建于20世纪70年代和20世纪80年代的设施。这“third generation”逐渐替换它们的设施通常包含额外的安全功能,但它们的基本设计仍然是相同的。超越这些现有技术将需要广泛的研发,以及国际合作。为此,在2001年,九个国家设立了第四届国际论坛(GIF),旨在促进发展“fourth generation”在四个关键方面改善电流设计的反应堆:可持续性,经济学,安全性和可靠性以及不扩散。

从那时起,论坛已扩展到13名成员(包括欧洲原子能界,欧洲原子能群体),并确定了六个设计的设计。希望在于,其中一个或多个将在20世纪30年代或20世纪40年代准备商业部署,证明了他们在2020年代的示范厂的可行性。但是,研究这些设计的科学家和工程师有许多强大的技术挑战来克服,必须说服资助者,这些先进的反应堆在现有工厂的优势将值得部署所需的数十亿美元。

缓慢(中子)开始

核裂变反应器通过分裂重核来产生能量,每个分裂都会产生继续进一步核的中子。该方法产生稳定的链式反应,可释放大量的热量。通过通过反应器循环的冷却剂占据热量’然后使用核心,然后用于产生蒸汽以驱动涡轮机并产生电力。大多数现有的核植物都是“light-water reactors”,用铀-335用作裂变材料和水作为冷却剂和调节剂。需要调节器来减慢中子,以便它们处于最佳速度至裂变铀-335核。

在第四代-IV反应器的六种设计中(见表1),最接近现有的光 - 水反应器是“超临界水冷反应器”。与轻水反应器一样,这种设计用水用作冷却剂和主持人,但温度远远较高。冷却剂在高达625的温度下留下核心 °C, the reactor’S热力学效率–产生的功率与裂变反应中产生的电力的比率–可以达到50%。这与今天的典型典型有利相比’S刚刚超过300的反应堆 °C.此外,由于冷却水存在于其临界点之上,因为气体和液体之间的性质,可以使用它直接驱动涡轮机–与现有的设计不同,冷却剂加热次级的水,然后驱动涡轮机。

这两种改进都会降低核能的成本。然而,在可以实施之前必须克服许多重要的技术障碍,包括能够承受所涉及的高压力和温度的材料的开发,并更好地了解超临界水的化学。

另一代-iv选项,“非常高温反应器”,使用氦气冷却剂和石墨调节剂。因为这种设计使用气体冷却剂而不是液体,所以它可以在更高的温度下操作– up to 1000 °C.这将进一步提高效率水平并且还允许这些植物产生有用的热量以及电力,这可能用于生产炼油厂和石化植物所需的氢气(图1)。

已经在美国和德国建造的原型气冷反应器的较低温度下研究了这一概念的一些元素。许多国家也在开发在高达800的中间温度下运行的反应堆 °C.直到最近,最先进的中间温度项目之一是南非’s “鹅卵石床模块化反应器”,旨在使用数十万燃料“pebbles” –板球尺寸的球体各自含有约15,000个铀的二氧化铀封闭在高密度碳层内,将裂变产物限制为燃料燃烧。反应器核心还含有185,000个无肉花石墨鹅卵石以中等反应。

以这种方式包装燃料赋予传统光水反应器中使用的燃料棒的两个主要潜在优点。一个是,可以加油鹅卵石床型反应器,而不会关闭它们;鹅卵石将简单地落到反应器芯的底部,因为它们的燃料被燃烧,然后在芯的顶部重新纳,因此允许反应器连续供应能量。鹅卵石床反应堆也可以设计为“passively safe”,这意味着由于冷却剂损失导致的任何温度升高都会降低裂变过程的效率,并将反应带到自动停止。

然而,7月,南非政府决定结束其参与鹅卵石研究。伊斯隆·曼德拉大学的物理学家在伊丽莎白港,伊丽莎白港的物理学家曾致力于开发燃料鹅卵石,相信2009年选举后,新政府决定该国’煤炭和常规核植物会更好地满足迫切能源的迫切能源–而不是具有潜在更有效和更安全但未经证实的和有问题的替代方案。

也可能在南非政府中发挥作用的一个因素’在讨论核查中心的核研究中心Rainer Moormann的2008年核查中心的报告ü1967年至1988年间,德国的李伊斯州,德国在1967年间运营了小型卵石床反应堆。该报告表明,辐射可能已经从鹅卵石中泄漏,使鹅卵石床反应堆的维修和维护可能比预先设想的更昂贵。此外,客户和国际投资者从未真正落后于南非项目,镜像J.ülich centre’早些时候未能将他们的卵石床技术销售给俄罗斯。“我们有一个非常好的旗舰项目,将许多科学家和工程师的工作结合在一起,” says Neethling, “但是需要更多的时间和金钱来商业化这一概念。 ”

意见分为南非项目的重要性’终止。斯蒂芬托马斯是伦敦格林威治大学的能源行业专家,称为它“major setback”为非常高温的反应器的开发,因为他说,南非’努力似乎比其他地方进行的研究更先进。但是,乔治亚州理工学院的核工程师贝尔斯蒂奇与此评估不同意,增加了南非“只是许多玩家之一,不是主要的球员之一”。中国,日本,法国和韩国也是高温反应堆的开发技术,其中一些也旨在使用鹅卵石。

就其部分而言,美国正在追求鹅卵石床设计的变种,称为下一代核植物(NGNP)。旨在达到750的温度–800 °C,NGNP将允许不同的燃料配置,其中涂覆的燃料核在鹅卵石或六边形石墨块中保持。根据哈罗德麦克法兰,美国国会议会技术总监和爱达荷州国家实验室的研究人员核准了2005年建设了一个原型NGNP,但迄今为止仅授予初步研究和发展的资金。美国能源部现在正试图为行业设立项目的联合资金。 McFarlane说,反应堆不太可能通过2021年的原始目标日期完成,并且仍然需要确定它仍然需要建立,虽然到目前为止猜测已经集中在湾海岸的地点。

更快的中子

Both the 超临界水冷反应器 and the 非常高温反应器 would use uranium-235 as fuel. However, less than 1% of naturally occurring uranium comes in this form: the remaining fraction is uranium-238, which ends up as “depleted uranium”富含铀矿石以产生反应器级燃料(通常约5%铀-335,95%铀-238)。在消耗的反应器级燃料的裂变分数消耗后,还将大量的铀-238丢弃为废物。因此,许多核专家相信这一点“open fuel cycle”是浪费资源。他们说,可以更好地回收铀和钚,这些铀和钚化妆燃料的大部分燃料以及所谓的枯萎病“closed fuel cycle” (figure 2).

最有效的做法是使用“fast reactors”,这不适中裂变中子的速度。这种反应器需要较高的裂变材料浓度,通常是钚-339,以产生比中调节的持续的链反应,或“thermal”,反应堆做。但它们在通过中子吸收的情况下将非裂变铀-238转化为钚-339。实际上,可以使快速反应器产生比它们消耗更多的钚-339– a process known as “breeding” –通过用a围绕反应器核心“blanket”铀-238。以这种方式使用铀-238将延长世界的寿命’S的铀资源来自数百到数千年甚至数千年,假设目前的核发电能力没有增加。还可以制作快速反应器燃烧一些长寿,比铀同位素(称为“transuranics”)化妆燃料,将它们转换为较短的核素,从而减少需要存放在长期地质存储库中的核废料量(见 “未来的问题”)。

剩余的四个剩余的第四次反应堆设计可以配置为作为快速反应器的工作。它们之间的主要区别在于它们的冷却系统–快速反应堆设计的一个方面似乎提供了大量的创新范围。到目前为止,几乎所有的世界’S的快电反应器使用钠作为冷却剂,利用该材料’S高导热率。不幸的是,钠在与空气或水中接触时剧烈反应。结果,由于火灾,至少两次钠冷却反应器被关闭。其中一个,日本’S Monju原型快速反应堆,经历过大钠–1996年的空气火灾,今年早些时候只重新开始,近十年半。即使没有这样的事件,钠和空气需要保持分开的事实是,加油和维修比水冷式反应器更复杂和耗时。迄今为止,法国建立的商业大小的快速反应堆’s Superphénix(图3)被关闭超过一半的时间,它连接到电网(在1986年至1996年之间)。

当暴露于中子时,钠也变得极为放射性。这意味着钠冷却的快速反应器设计必须掺入额外的钠环,以将热量从冷却反应器芯冷却到蒸汽发生器中的热量;没有它,发电机中的火灾可以将放射性钠释放到大气中。这种额外的环路增加了这种反应堆的成本。事实上,根据国际裂变材料专家组的最近报告(IPFM)–促进军备控制和不扩散政策的团体–到目前为止所构建的快速反应器通常具有每千瓦的两倍于产生容量作为水冷式反应器。

研究一代 - IV钠快速反应堆的科学家旨在通过改善的植物布局和蒸汽产生使其更便宜。它们还在试验更固有的安全特征,例如布置反应器容器和其他组分,使得如果系统过热,钠自然地将过量的热量输出过滤出来,而不是重新进入。法国和日本的研究人员希望开始运营新的钠反应堆,该反应堆在2020年代的某些时候融入了这种先进的功能。

由GIF探索的三种非钠冷却的快速反应器设计各自都有自己的优势,但主要的技术障碍意味着它们更加长期前景。这“气体冷却的快速反应器 ”就像它的热量一样,将在高温下运行(高达850 °C),比钠植物更有效地发电,并提高生产氢气或热量的可能性。不幸的是,尽管这种植物中的氦气冷却剂将是惰性的,但氦气比钠更差。鉴于快速反应器芯所需的高浓度的裂变材料,这使得气体冷却的设计极具挑战性地实现。

不太具有挑战性的是“铅冷却快速反应堆”。像氦气一样,铅不会与空气或水反应,这可能会简化植物设计。不幸的是,液体引线冷却剂几乎可以腐蚀,几乎可以触及任何金属,因此需要新的涂料来保护反应器’S来自腐蚀的组件。最终和最雄心勃勃的一代 - IV概念是“molten-salt reactor”。这种设计要求将核燃料溶解在循环的熔盐冷却剂中,液体形式脱离需要构建燃料杆或粒料并允许在需要时调节燃料混合物。这种反应器可以使用快速或热中子,并且也可用于品种裂变钍(参见“进入钍虎”在P40,仅打印版)或燃烧钚等副产品。然而,熔盐的化学不太了解,需要开发特殊的耐腐蚀材料。

往前想

除了实现各自的快速反应器设计所需的相当大的研发,还需要新型植物进行再处理和重新制衡燃料的植物来商业化技术。然而,除此之外,与快速反应器相关的更大问题是:在再处理期间释放武器级钚。根据IPFM,民用库存有足够的钚,以制定成千上万的核武器,并且持续发展的快速反应堆只会增加这一点。快速反应堆的倡导者提出了将再加工的钚与废燃料内部的一些经阵挛界定,这将在理论上使其更难以窃取,因为混合的钚–仅仅单独的过阵容的包装比钚更放射性。然而,美国普林斯顿大学的小组联合主席弗兰克·弗兰克·弗劳普利指出,这种包装中的辐射水平仍然低于在后处理之前在花费燃料中发现的水平。去年由一群在美国工作的一群九名科学家制作的报告’冯·河ppel补充说,国家实验室没有发现这种经过阵捆绑将显着降低扩散的风险。

华盛顿特区有关科学家联盟的Edwin Lyman同意。“快速反应堆根本不应成为未来核发电量的一部分,” he says. “这项技术已经浪费约100亿美元,几乎没有任何东西可以展示它。核电的研究和开发应专注于改善近期循环的安全,安全性和效率而无需再处理。”

这个视图不是由Stacey共享的。虽然他承认商业化快速反应堆中的技术挑战“sobering”,他认为,有利于关闭燃料循环的论点仍然引人注目。“You can’T使用1%的铀的能量含量为核电提供核电,”他说,参考裂变的天然铀的小分数。“就像它一样,花费燃料堆积在某些时候,我们需要做点什么。我们可以埋葬它,但我们需要在一百万年内包含它的网站。延伸可信度。”

是否在商业化的任何一代 - IV设计中是否将取决于广泛的问题,包括超出纯技术的问题。这些包括建立熟练的劳动力并维持现有植物的安全标准,以及核废料的政治问题。行业’建造第三代植物的进步也将影响跟随者。

但作为剑桥大学的威廉·斯特尔 ’法官商学院指出,也许最重要的因素是经济学。专门从事核电的能源政策分析师尤为尚不清楚各国政府如何准备在实施有可能使核能与化石燃料进行核能竞争力的碳税等政策。对于快速反应堆,铀的价格可以使他们在未来更具吸引力,他建议,只要他们的资本成本和可靠性测量即可。

“问题是核文艺复兴的规模将是什么,特别是在欧洲,” says Nuttall. “如果意味着简单地用核取代核电,那么可能没有必要超越轻水反应堆。但是,如果你想说,替代煤炭与核,那么可能会有一代 - IV的空间。”重要的是,他认为,是为了保持选择打开。“We don’当我们希望我们能够做到这一点时,我希望在一条线上的位置处,但发现我们可以’t,” he says.

版权©2021由IOP Publishing Ltd和个人贡献者