今天，2023 年 8 月 24 日，日本政府正式向太平洋排放核污水，這對(duì)全人類(lèi)來(lái)說(shuō)都是一場(chǎng)災(zāi)難，日本政府公然向全世界轉(zhuǎn)嫁核污染風(fēng)險(xiǎn)，將一己私利凌駕于全人類(lèi)長(zhǎng)遠(yuǎn)福祉之上，此舉極端自私極不負(fù)責(zé)任！

國(guó)際社會(huì)強(qiáng)烈反對(duì)日本核污染水排海，來(lái)源視覺(jué)中國(guó)

應(yīng)該說(shuō)，福島核事故起源于天災(zāi)，但發(fā)展到今天卻更多地來(lái)自于人禍，但核電，作為一種綠色穩(wěn)定的清潔能源技術(shù)，可以說(shuō)是未來(lái)我們走向星辰大海必須要點(diǎn)的科技樹(shù)了。因此，大家也絕不能因噎廢食，不能談 " 核 " 色變。

【資料圖】

核電站事故大家其實(shí)見(jiàn)的也不少了，蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站的事故、美國(guó)三哩島核事故、福島核電站事故都?xì)v歷在目。核電站要是出了事故，會(huì)產(chǎn)生大量含有輻射的核污染物，例如核廢水，會(huì)給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)巨大災(zāi)難。這些核污染物目前還沒(méi)有很好的辦法處理，一般通過(guò)深埋等待其自行衰變。但我們應(yīng)該看到，核電站的發(fā)展也是突飛猛進(jìn)的。這不，更安全的四代核電站馬上就要來(lái)了。

目前世界各國(guó)都在大力發(fā)展更安全的四代核電站技術(shù)，這不，我前兩天去百度查文獻(xiàn)時(shí)，就吃了一驚，我國(guó)核電站技術(shù)都已經(jīng)到這一地步了？

至于為啥吃驚，還請(qǐng)容我賣(mài)個(gè)關(guān)子先。

怎么就第四代了

說(shuō)起四代核電，一個(gè)首當(dāng)其沖的問(wèn)題就是，啥是四代核電，這咋就第四代了，前三代是啥，是不是快要核聚變了？

別著急，其實(shí)四代核電還是核裂變，而且距離核聚變還有相當(dāng)距離。

四代核電的概念是由美國(guó)人提出來(lái)的。1999 年，美國(guó)能源部首先提出四代核電的倡議，后來(lái)又組織了由阿根廷、巴西、加拿大、法國(guó)、日本、韓國(guó)、南非、英國(guó)和美國(guó)九個(gè)國(guó)家的高級(jí)政府代表會(huì)議，就四代核電展開(kāi)了討論，并達(dá)成共識(shí)：世界需要發(fā)展核電，但現(xiàn)有的三代核電技術(shù)還需要改進(jìn)，而新的核電技術(shù)必須要提高經(jīng)濟(jì)性和安全性，減少核廢物，防止核擴(kuò)散，新的核電技術(shù)要同核燃料循環(huán)統(tǒng)一考慮。

其實(shí)，核電技術(shù)的代際升級(jí)可能并沒(méi)有大家想得那么大，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，第一代核電技術(shù)就是早期的原型堆電站，也就是上世紀(jì)五十年代到六十年代早期開(kāi)發(fā)的輕水堆核電站；第二代核電站就是六十年代后期到九十年代前期開(kāi)發(fā)的大型商用核電站；至于第三代核電站指的是更先進(jìn)的輕水堆核電站，這些核電站采用標(biāo)準(zhǔn)化、最佳化設(shè)計(jì)和安全性高的非能動(dòng)安全系統(tǒng)。

而第四代核電站的主要開(kāi)發(fā)目標(biāo)主要有：核能的可持續(xù)發(fā)展，即通過(guò)對(duì)核燃料的有效利用，實(shí)現(xiàn)提供持續(xù)能源，并實(shí)現(xiàn)核廢物的最少化；提高安全性和可靠性，大幅度降低堆芯損傷的概率集成度，并具有快速恢復(fù)反應(yīng)堆運(yùn)行的能力，取消在廠(chǎng)址外采取應(yīng)急措施的必要性；提高經(jīng)濟(jì)性以及防止核擴(kuò)散。

第三代和第四代核電站的目標(biāo)和要求比較 | 圖源自參考資料

也就是說(shuō)，安全性提升是四代核電的主要特征之一。我們重點(diǎn)看一下安全性方面。第四代核電站應(yīng)該能證明不會(huì)發(fā)生堆芯的嚴(yán)重?fù)p壞，并確保不會(huì)由超標(biāo)的廠(chǎng)外釋放，不需要廠(chǎng)外響應(yīng)。也就是說(shuō)，即便遇上地震、海嘯、颶風(fēng)等自然災(zāi)害，四代核電站應(yīng)該也能保證其安全性，即堆芯不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p害且不會(huì)有含輻射物質(zhì)泄漏。

至于四代核電的反應(yīng)堆類(lèi)型，其實(shí)有六種備選方案。分別是：氣冷快堆；鉛合金液金冷卻快堆；熔鹽反應(yīng)堆；液態(tài)鈉冷卻快堆；超高溫氣冷堆和超臨界水冷堆。這六種都可以看作是四代堆，但顯然，這其中，有三種是快堆，另外三種則不是，看起來(lái)，核電的代際劃分標(biāo)準(zhǔn)還是很有特色的。

至于不知道什么是快堆的童鞋，去找高中物理老師補(bǔ)課！

在這六種四代堆中，我國(guó)或多或少都有過(guò)研究，其中一些已經(jīng)取得世界領(lǐng)先地位。篇幅所限，我們這一次主要講講超高溫氣冷堆和熔鹽反應(yīng)堆。至于其他的，有時(shí)間再聊。

超高溫氣冷堆

有關(guān)核電站是怎么燒開(kāi)水的，我們之前發(fā)過(guò)一篇文章已經(jīng)講過(guò)了：《核電，一種更花式的燒開(kāi)水方式》。

寫(xiě)得真好，可惜不是我寫(xiě)的。這里面不僅講了核電站的原理，還講了我們現(xiàn)在主要建設(shè)的落后的壓水堆和沸水堆，可謂是前人之述備矣，我就不贅述了。

看完上面那篇文章，我想你已經(jīng)可以理解核反應(yīng)堆中的慢化劑和冷卻劑了。在超高溫氣冷堆（Very High Temperature Reactor，VHTR）中。慢化劑是石墨，冷卻劑是惰性氣體氦，這也就是名字的來(lái)源，氣冷。

超高溫氣冷堆示意圖 | 圖源自參考資料

上圖就是超高溫氣冷堆的原理示意圖，球床堆芯就是核反應(yīng)發(fā)生的地方，卸料管可以及時(shí)清除反應(yīng)過(guò)后的乏燃料，保證不停堆加燃料，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量在蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽，emmm，就還是燒開(kāi)水，得到的蒸汽在常規(guī)島循環(huán)發(fā)電。

VHTR 是上世紀(jì)開(kāi)發(fā)的高溫反應(yīng)堆的衍生物，顯著特征是全陶瓷包覆顆粒燃料。它被譽(yù)為 " 永遠(yuǎn)不會(huì)熔毀的反應(yīng)堆 "，即使遇上 9 級(jí)地震，并引發(fā)劇烈海嘯，也不可能出現(xiàn)堆芯熱量無(wú)法散失以致堆芯融化的情況，不會(huì)出現(xiàn)核泄漏，十分安全。

我國(guó)建造了世界首個(gè)商業(yè)規(guī)模的超高溫氣冷堆——石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程——已經(jīng)在去年并網(wǎng)發(fā)電，這是全球首個(gè)并網(wǎng)發(fā)電的第四代高溫氣冷堆核電項(xiàng)目，標(biāo)志我國(guó)在這一先進(jìn)核能技術(shù)領(lǐng)域取得世界領(lǐng)先地位。

圖源自人民網(wǎng)

我國(guó)的超高溫氣冷堆采用球狀堆芯，其核燃料元件是耐高溫全陶瓷包覆顆粒燃料球，直徑 6 厘米，最外層是石墨層，里面是基體石墨粉，這就是核反應(yīng)的慢化劑，石墨粉中分散著 12000 個(gè)四層全陶瓷材料包覆的、直徑 0.9mm 的核燃料顆粒。

我國(guó)超高溫氣冷堆燃料元件示意圖 | 圖源自參考資料

至于其不會(huì)熔毀的秘密就在于這顆石墨球，這顆燃料元件在 1650 ℃的高溫條件仍能有效阻擋放射性的泄露，而設(shè)計(jì)表明，即使遇到極端事故，堆內(nèi)溫度也不可能達(dá)到這個(gè)溫度。因此超高溫氣冷堆具有非常高的安全性。

除了固有安全性高，超高溫氣冷堆的發(fā)電效率更高；其堆芯出口的工作溫度高，可以在不產(chǎn)生二氧化碳的情況下制氫；高溫還可以向工業(yè)領(lǐng)域供熱，用于石油化工、煤氣化等領(lǐng)域。

熔鹽堆

現(xiàn)在回收文章開(kāi)頭，那個(gè)令我振奮的消息就是：我國(guó)釷基熔鹽堆實(shí)驗(yàn)堆開(kāi)始試運(yùn)行了。

圖源自澎湃新聞

我們還是先說(shuō)熔鹽堆。在四代堆的六種候選堆型中，熔鹽堆（Molten Salt Reactor，MSR）是唯一一種液態(tài)燃料反應(yīng)堆。熔鹽堆使用的冷卻劑是熔融鹽，一般是氟鹽，它一般也是核燃料的載體，燃料就溶于氟鹽中。其采用的燃料一般是鈾或釷的氟化鹽?，F(xiàn)在也發(fā)展出了固態(tài)燃料熔鹽堆的概念，僅將氟化熔鹽作為冷卻劑傳輸熱量，采用碳化硅密封、石墨包敷的燃料顆粒作為核燃料。

熔鹽堆示意圖

熔鹽堆的核反應(yīng)就在左側(cè)進(jìn)行，下方的冷凍塞及應(yīng)急儲(chǔ)存罐是反應(yīng)堆安全性的重要保障。以熱交換器為界限，左側(cè)為核島，右側(cè)是常規(guī)島，反應(yīng)釋放的熱量由冷卻鹽吸收，并被用于在常規(guī)島加熱產(chǎn)生高溫蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。所以，雖然常規(guī)島還是在燒開(kāi)水，不過(guò)核島算是在燒鹽？

熔鹽堆的固有安全性顯而易見(jiàn)。熔鹽堆的燃料本身就是融化的，根本就不存在堆芯熔化的問(wèn)題；熔鹽的低蒸氣壓減少了破口事故的發(fā)生，即便發(fā)生破口事故，熔鹽在環(huán)境溫度下也會(huì)迅速凝固，防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大；而當(dāng)堆芯溫度上升超過(guò)預(yù)警值時(shí)，底部的冷凍塞可以自動(dòng)融化，熔鹽會(huì)流入應(yīng)急罐并冷卻，不會(huì)造成核污染。

熔鹽堆可以使用釷基核燃料。釷基核燃料的儲(chǔ)量高于鈾基核燃料，同時(shí)釷基核能不易用于制造武器，更適合做民用用途。

釷基熔鹽堆的特性結(jié)構(gòu)圖 | 圖源自參考資料

除了安全之外，熔鹽堆可以更有效地利用核資源并防止核擴(kuò)散。熔鹽堆不挑燃料，可以直接利用鈾、钚和釷等所有核燃料，而不用特別處理，甚至可以利用核武器拆解得到的钚。其產(chǎn)物中只有極少的钚，可以防止核擴(kuò)散。

熔鹽堆的熱功率密度高，可以小型化模塊化設(shè)計(jì)。運(yùn)行中無(wú)需控制棒，可以不停堆換料，壽命長(zhǎng)，功率易調(diào)。

熔鹽堆可以運(yùn)行在高溫下，同樣可以用于制氫、制氨、煤氣化等工業(yè)領(lǐng)域。

熔鹽堆可以建造在地下，對(duì)水沒(méi)有需求，因此可以建造在內(nèi)陸干旱地區(qū)。熔鹽常溫時(shí)為固態(tài)，不會(huì)因泄漏而導(dǎo)致大量的核污染，對(duì)生物圈和地下水位的防護(hù)沒(méi)有那么嚴(yán)苛，可以建造在地下，地下建造也可以更好地保護(hù)核電站。熔鹽堆核島不需要冷卻水，因此可以建造在干旱無(wú)水的地區(qū)。

釷基熔鹽堆未來(lái)展望示意圖 | 圖源自參考資料

核電作為典型的清潔能源，環(huán)保無(wú)污染，輸出又穩(wěn)定，是目前最理想的發(fā)電方式之一。大力發(fā)展核電，不僅可以讓我們獲得更廉價(jià)的能源，也有助我們?cè)缛諏?shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)。因此，中國(guó)是世界上核電在建裝機(jī)容量最大的國(guó)家。而核電的發(fā)展也是突飛猛進(jìn)，經(jīng)濟(jì)性，安全性都得到了顯著提升。相信我們未來(lái)，會(huì)用上更多更好更安全更便宜的核電。

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