拯救生命的原子能

我们面临的问题 

2015年,联合国通过了17个世界可持续发展目标。这些目标可以大致总结为:消除贫困;保障粮食、清洁水、能源和全球健康及教育供应;实现性别平等;保障人人都有体面工作;建造具备抵御灾害能力的基础设施;减少收入不平等;促进城市发展、可持续消费及生产;寻找气候变化解决方案;保护海洋;预防毁林;以及建立实现这些目标的框架,包括建立全球可持续发展伙伴关系。

毫无疑问,这些是远大的目标。然而,问题在于联合国及其会员国如何实现这些目标,以及如何决定各个潜在方案的相对重要性。

我认为,发展小型模块化熔盐堆,包括改性熔盐堆,有助于同时推动多个可持续发展目标的实现。   

原子能理念   

对于这些亟待解决的问题,有一个看起来似乎不太可能的解决方案:原子能,但这不是指原子能当前的形式。核能发电的关键是基于将原子各部分聚合的力量。原子不稳定,则会通过裂变试图达到稳定状态。原子可能自身本质上不稳定,也可能在原子核中加入中子而不稳定。

原子在趋向稳定时释放微粒,同时也释放出巨大的能量,这些能量可以在闭合的系统里产生足够的热量推动涡轮机。辐射常常遭人误解,但其实大部分辐射是自然产生的。辐射分成几种,每种辐射都有不同的作用。

对核能的担忧有三个方面:核弹头及其扩散、堆芯熔毁和系统故障、以及核废料。这些担忧都很正当,但是,通过对原子能发电的方式进行概念梳理及深入的再认识,就可以消除这些担忧。

小型模块化熔盐堆:当今时代的解决方案

20世纪50年代到70年代间,模块化熔盐堆在美国得到广泛运用。与当前的反应堆不同的是,模块化熔盐堆能为常规反应堆所面临的挑战提供独特的解决方案:

  • 盐本已处于熔融状态,因此无需再“熔化”。若系统过热,盐则被排入降温池;
  • 放射性材料在系统中形成稳定的纽带。不稳定的材料不断被去除;
  • 模块化熔盐堆在常压下工作,不可能发生类似2011年日本福岛核熔毁的意外;
  • 许多模块化熔盐堆转换器都能够分解既有的核废料;
  • 模块化熔盐堆比标准核反应堆能更高效地利用裂变材料;
  • 由于负空泡系数及温度系数高,模块化熔盐堆可用于负荷跟踪,而不会产生过量的反应率;
  • 钍是可用于模块化熔盐堆的一种增殖性材料,在地壳中的储量是铀的三倍。在当前的稀土开采中,钍被当作废料处理掉,几乎没有商业价值。钍通过挖掘开采(区别于其他更侵入性的方法)提取,甚至可以从海水中提取;
  • 模块化熔盐堆还有一种形式,即改性熔盐堆。改性熔盐堆比其他类型的模块化熔盐堆或传统熔盐堆更不易扩散;
  • 熔盐堆可以在完全封闭的情况下利用兰金或布雷顿循环涡轮机工作,无需像现有反应堆一样需要在大水体附近工作;
  • 技术是可以升级的,有模块化的潜力,一旦要实行商业化,相关技术可以大规模部署。

熔盐堆有很多设计类型,但这是经过了最大量的研究和实验的模式。

值得进一步仔细考察的一种设计是不需人工介入而可独立运转数年、提供燃料来源的改性熔盐堆。这种改性熔盐堆可以使熔盐堆技术更快并更安全地在全球得到部署,并且扩散风险更小。

模块化熔盐堆的应用

模块化熔盐堆有广泛的应用,这也许是开发这项技术最重要的原因。模块化熔盐堆可以提供电力、水、医学同位素以及食品生产所需的能源,减少当前核废料堆积以及为偏远地区提供电力。

人人享有能源和水源   

鉴于地球所面临的挑战,首先应保证人人能够获取足够的电、水及卫生设施。因其独特的性能,模块化熔盐堆能够满足上述需求。因为能用于模块化熔盐堆的燃料类型多样,其发电效率和燃料利用率都比标准铀反应堆高出许多数量级,并且这种技术能够应用于多种用途,因此,模块化熔盐堆对人类未来发展的意义不容置疑。

此外,由于放射性材料完全从工作温度高于100° C的发电系统中去除,多余的热量可利用于净化水和给废料消毒。在诸如加利福尼亚等离海近的地方开展这种项目,就可以为人类提供清洁水。   

灾害应变及微电网   

由于此类反应堆是模块化的,可以升级,因此反应堆可以缩小至可以量产规模,然后大规模部署于没有传统基础设施的地区,包括军事基地和发展中国家,以及在基础设施遭到破坏的应灾设施地区。鉴于其独特的本质,这种反应堆能够调节负荷,是短期电网运行的理想选择。   

医学同位素生产   

反应堆及其部分燃料衰变链还可以产生医学同位素。医学同位素可用于研究先进的α粒子靶向治疗、放射成像以及许多其他医学用途。钍在英国已经成为研究对象。此外,当前的放射性同位素生产主要集中在南非和加拿大老化的反应堆中。如果能本地化生产这样的同位素,则有益于使多个国家开发负担得起的医学同位素应用。

清理核废料及防止核扩散  

如上所述,不同类型的模块化熔盐堆有不同的功能,部分熔盐堆尤其适合处置核废料和防止核扩散。美国有些企业专注于建设快中子增殖反应堆。这些系统能够保持更高的功率密度,并使用核废料作为反应的燃料来源,因此能够将现有的核储存贫化成为超铀元素,超铀元素的反应率比起当前核废料只是九牛一毛。我们也不必开采、隔离及生产额外的燃料,而是可以使用当前核废料中已有的但传统反应堆无法利用的能量。

然而,其它模块化熔盐堆需专注于防止核扩散。在有化学处理双流体设计的标准模块化熔盐堆中,某些同位素受到隔离以增加反应堆中的中子利用效率。但是,同位素的隔离也可以帮助人们将这种材料分离出来,用于放射性武器。虽然这并不容易,但并非不可能做到。为了解决这一问题,改性熔盐堆在1979年到1980年间开发成功。这一系统可以只用一个燃料箱,不用加以隔离,在将燃料转化为裂变材料的过程中受到的障碍很小,转化率很高,因此有足够的改性铀维持不适宜制造核炸弹的材料成分构成。这样的设计在实验成功后,可以送往世界任何地方且核扩散的风险小得多,因此,有助于提供能源和水给最迫切需要能源和水的国家。   

地球之外   

最后,此项技术的运用可以超越地球。模块化熔盐堆是维持太空中人类生存和机器运作的卓越电力解决方案。反应堆可以简化能源、热量及净化水系统,可能在没有人工介入的情况下自主运转好几年。废水可以得到处理、消毒,因此也可成为帮助人类在太空中维持生命的可持续系统。   

地球和生活在地球上的人类面临着众多问题。要找到每个问题的解决方案十分困难,找到有助于完成多个发展目标的解决方案更是不易。有效利用原子能可以拯救生命和节约能源,并且,目前是重新从深入评议原子能的应用从而为和平目的进一步开展原子能研究的好时候。模块化熔盐堆是已证明能为未来千年提供安全、清洁能源的最佳方法之一,这个不属于新创意的概念亟待开发实施。