核能长期以来一直是一个有争议的话题。它能产生巨大的电能,且碳排放为零,因此被视为解决全球能源困境的方案。但它也伴随着多重风险,包括武器研发、堆芯熔毁以及处理核废料的危险。
但这些风险和益处都与一种特定的核能有关:铀或钚同位素的核裂变。还有一种核能已在幕后酝酿了几十年——它可能迫使我们重新审视对核能的看法。
利用钍进行核裂变技术触手可及,而且与传统核能相比,其风险要低得多。
钍的故事
使用钍的想法自20世纪60年代就已出现,到1973年,美国提出了进行严肃、集中研究的计划。但该计划几年后就悄然停止了。为什么?答案是核武器。20世纪60年代和70年代是冷战的高峰期,武器化是所有核研究的驱动力。任何不支持美国核武库的核研究都没有得到优先考虑。
传统核能采用涉及铀-235和/或钚-239的燃料循环,被视为一举两得:减少美国对外国石油的依赖,并制造核弹所需的燃料。而钍能则不具备军事潜力。并且,通过减少对传统核能的需求,一个成功的钍计划在冷战环境下实际上会被视为威胁美国利益。
然而,如今情况大不相同。许多国家领导人担忧核技术的扩散,而不是想要制造武器。这促使一些国家开始重新审视钍能源发电。
钍反应堆如何工作
正在研究用于发电的钍同位素是钍-232。与铀一样,钍-232也来自地下的岩石。
钍反应堆的工作原理如下:将钍-232放入反应堆中,用中子束轰击它。吸收了一个中子后,钍-232变成钍-233,但这种较重的同位素不会存在很长时间。钍-233衰变成镤-233,镤-233进一步衰变成铀-233。铀-233留在反应堆中,与目前的核电站类似,铀的裂变产生强大的热量,可转化为电能。
为了维持这个过程,必须通过保持中子发生器持续开启来不断产生铀-233。相比之下,触发传统反应堆中铀-235裂变的中子是由燃料本身产生的。这个过程以链式反应的形式持续进行,只能通过将中子吸收材料的控制棒插入反应堆堆芯来控制或停止。但这些控制棒并非万无一失:在反应堆发生故障时,其操作可能会受到影响。这就是为什么传统裂变反应堆有可能失控升温并导致事故。相比之下,钍燃料循环可以通过关闭中子供应来立即关闭。关闭燃料循环意味着阻止钍-232增殖为铀-233。这并不能立即停止反应堆的加热,但可以阻止其恶化。
钍能的安全性进一步提升。与铀-235和钚燃料循环不同,钍反应堆可以设计成在液态下运行。当传统反应堆即将熔毁时,没有办法将燃料排出以停止裂变反应,但一种名为LFTR的钍反应堆设计在反应堆底部有一个插头,当反应燃料的温度升高过高时,该插头会熔化。如果发生这种情况,热液体会全部排出,反应就会停止。
动力升级
钍能还有其他吸引人的地方。其核废料产量将比传统核能低几个数量级,尽管专家对其具体数量意见不一:中国研究人员声称是三个数量级(即废料量减少到原来的千分之一或更少),而美国研究人员则表示是百分之一。
钍比铀更容易获得。而铀矿是地下封闭式开采,对矿工非常危险,钍则是露天开采,据估计在地球地壳中的储量约为铀的三倍。
但在我们地缘政治动荡的世界里,钍能最显著的优势或许在于其燃料更难被用于制造炸弹。钍本身不是易裂变的。钍燃料循环确实会产生易裂变物质——铀-233,理论上可用于制造炸弹。但钍并非制造武器的实际途径,尤其是在LFTR技术下。扩散者不仅必须从反应堆内部盗取高温液态的易裂变铀-233;他们还会暴露在一种极其危险的同位素——铀-232中,除非他们拥有机器人来完成这项任务。
未来燃料
中国已宣布其研究人员将在未来10年内生产出功能齐全的钍反应堆。印度拥有地球上最大的钍储量之一,但铀资源不多,也在积极推进。印度研究人员计划明年初就投入使用原型钍反应堆,尽管该反应堆的输出功率仅相当于西方典型新型核电站输出功率的四分之一。挪威目前正在进行一项为期四年的试验,使用钍燃料棒在现有核反应堆中发电。
其他拥有积极钍研究项目的国家包括英国、加拿大、德国、日本和以色列。
钍燃料循环存在一些缺点,但它们技术性很强。例如,钍反应堆曾被批评可能比常规反应堆有更多的中子泄漏。更多的中子泄漏意味着需要为发电厂工人提供更多的屏蔽和其他防护。与大多数替代能源一样,钍能面临研究资金不足以及电力公司转向钍能缺乏经济激励的问题。
在近几十年来,大众媒体关于安全、绿色核能的故事往往集中在核聚变的探索上。当然,我们可以期待并应该希望这种能源类型能持续进步。但与此同时,中国、印度等国的投资表明,钍在不久的将来将为电网做出贡献,并在此过程中显著提高世界能源的可持续性。
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