第四代核能源:我們可以解決核能面臨的遺留問題嗎?

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向Wed Mar 03 2021 提供最新信息

在上一章,我們了解到,核能有四個根本問題:

  • 核廢料
  • 核爆炸
  • 高成本
  • 施工時間長

我們將使用此方案評估各種想法:

簡單的方案:建造小型模塊化反應堆

與其在現場建造一個大型反應堆,不如在工廠裡批量生產較小的組件,然後將其運送到需要的地方,這會如何?在州政府決定購買它們之後,很快它們就準備被安裝。這些反應堆稱為小型模塊化反應堆(SMR)。它們是「模塊化」的,因為很多小型反應堆(稱為“模塊”)可以在該地方被合併,以提供與常規大型反應堆相同的功率:

小型模塊化反應堆

在國家決定購買模塊之後,即可準備安裝模塊。

與常規反應堆一樣,小型模塊化反應堆使用鈾和水。然而,許多小型模塊化反應堆設計都能夠被動冷卻,這意味著停電不會引起核熔毀和爆炸[SMDesign1,BWRX300]。

你認為這能如何改善核能


首批熔鹽反應堆已投入運作,還有更多的SMR正在開發並處於申請許可證的過程中[NuScale,BWRX300]。完全商業化預計在2030年左右實現

不幸的是,熔鹽反應堆仍然存在核廢料問題,因為它們使用常規的核燃料[SMDesign1,SMDesign2]。

更有效率 - 熔鹽反應堆(MSR)

我們在上一章討論的反應堆使用水作為冷卻劑(以釋放能量)和調節劑。熔鹽 反應堆(MSR)卻是使用熔鹽作為冷卻劑。熔鹽實際上就是它聽起來那樣-液態鹽

熔鹽反應堆
熔鹽反應堆

為什麼要熔鹽?

  • 高溫:常規以水為主的反應堆只能產生最多300°C的溫度。 熔鹽反應堆可以達到850°C。這提高了熱動力效率,從而提高了燃料的使用率,並允許熔鹽反應堆為化石燃料供應的高溫工業過程提供能量
  • 高效率:熔鹽反應堆的燃料效率比水基反應堆高30%,這意味著同一功率下產生的廢物較少。
  • 不會爆炸:與現代(甚至今天)所有反應堆一樣,熔鹽反應堆過熱時會關掉,這代表它們不會爆炸

可悲的是,核廢料問題仍然存在。而且,目前還沒有負擔得起的材料能夠長時間在高達850°C的溫度下包存放熔鹽。這意味著需要更多的基礎研究和創新來使熔鹽反應堆成真。

我們可以回收核廢料用作燃料嗎?

我們可以回收核廢料嗎?

回顧上一章,核廢料主要以兩種形式出現:

  • 貧化鈾-238:天然鈾是由99.3%的U-238和0.7%的U-235組成的,但反應堆需要4-5%的鈾-235。在建造這種濃縮燃料 時,我們會留下大量的鈾-238。
  • 乏燃料:當反應堆使用濃縮燃料一段時間後,它會被替換成新燃料,剩下的部分被稱為乏燃料。

你還記得哪一個仍然是超級危險的嗎?


行波反應堆(TWR) 被設計為使用貧鈾-238作為燃料。 與傳統反應堆相比,行波反應堆產生的放射性廢物(按質量計)少80%

更令人興奮的是,行波反應堆理論上可以回收使用後的核燃料[SpentNucFuel1,TWRPaper],但是對此 仍需要大量研究。

這些反應堆背後的關鍵想法是,它們能夠自己製造燃料,如下所示

增殖燃料

在這裡,我們從鈾-238開始,它本身無法推動常規核反應堆。然後,通過添加一個中子,我們將它變成U-239。 U-239迅速衰變並變成另一種放射性物質Plutonium-239。這便接著為核裂變反應提供動力,並產生熱力,熱力最終成為我們從反應堆中獲取的能量。所有這些都在反應堆內發生!

正如所有其他現代反應堆一樣,如果發生斷電,行波反應堆將停止反應,這意味著它們不會爆炸

行波反應堆的研究已經進行了數十年--沒有成功。但是經過多年的電腦模擬和反覆設計,一家名為Terrapower(主要由Bill Gates資助)的公司現在認為他們可以實現穩定且長期的運作[IEEETRPWR,TERRAPOWER]。

他們的原型原本應該在2022年投入使用,但是中美之間的政治緊張局勢使該工程於2018年停止。我們會看看我們的去向。

那麼,我們該怎麼做?

小型模塊化反應堆(SMRs)和常規反應堆現在已經可以使用。他們可以在接近零二氧化氮排放量的情況下代替煤來進行基本負荷發電。正如上一章概述的那樣,現代核反應堆非常安全,不會引起爆炸。雖然核廢料雖然不好,但我們必須將其與危險的二氧化氮的排放和燃燒化石燃料所產生的其他污染進行比較。

同時,政府應允許公司以更快的速度測試先進的核反應堆

我們需要更多的研究

如果您想了解更多有關先進核能的信息,請查看本章中我們未討論的一些概念:

  • 使用釷:不使用鈾-235,而是使用稱為釷的元素代替燃料
  • 其他冷卻劑:我們不使用水或熔鹽,而是使用氣體或液態金屬
  • 沒有緩和劑的反應堆快速反應堆 可以直接與快速的中子一起運作(正如上一章所述,當今的設計必須使用緩和劑來減慢中子的速度)。常規反應堆需要減慢中子的速度才能分裂鈾-235。

現在,開始使用可再生能源!

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