1986年乌克兰切尔诺贝利事件

这是一个系列的第4部分。如需从头读起，请在这里找到第1部分，在这里找到第2部分，在这里找到第3部分。

第1部分：可再生能源，是“新能源”时代的最佳方案？详解核能&碳中和未来

第2部分：过度使用“可再生能源”，却物极必反？分析德国能源转型的僵局

第3部分：法国核电水平，竟远超德国？押宝核能的法国，能源未来将是好是坏

目前，核反应堆的存在着哪些问题？

核能发电——以其目前使用和设计的形式来看，存在着很多很多问题。（典型例子，就如同前几期评论里都热议的核废料处理问题）

为了更好地理解，开发新反应堆设计背后的动机：首先，让我们简要回顾一下主要的问题所在。

（1） 核裂变反应堆产生大量的放射性物质，因此必须要做到不危害人类，并在任何情况下都必须防止其释放到环境中。一个复杂的因素是裂变过程本身的“混乱”性质：它产生了散布在周期表周围上的几十种不同放射性同位素——这些物质的化学和物理性质差别很大。处理这一问题将带来了巨大的技术挑战，并需要多个安全壳和屏蔽结构，以及处理、运输和储存放射性物质（以及核废料）的详细措施。所有这些都使核电站的建设和运营成本成倍增加。

（2） 裂变反应中的能量产生是基于裂变链式反应，而这种反应本身具有指数增长的趋势，需要主动和被动机制来限制功率输出，防止失控事件的发生。由于物理上的原因，裂变反应堆不可能像炸弹一样爆炸；但即使是缓慢的失控反应，也可能造成灾难性的后果，就像切尔诺贝利核反应堆可能发生的那样。

（3） 在裂变链式反应停止后的数天内，裂变反应堆核心的放射性物质持续产生大量的热量（衰变热）。这些热量必须通过主动和（或）被动冷却系统以某种方式排出，以防止反应堆堆芯熔毁，造成潜在的灾难性后果。

例如：2011年3月，福岛核电站遭受15米高海啸袭击的那一刻，该核电站所在地的三座运行中的反应堆，已经因之前的地震而自动关闭。但由于海啸波的影响，海啸的冲击摧毁了外部电源和核电站自身 的应急电源系统。随后发生了一系列复杂的事件，反应堆堆芯无法维持有效冷却，三座反应堆的堆芯随后全部熔化。

碎裂的燃料棒中的锆与沸腾的冷却水中的蒸汽发生反应，产生了氢气，导致反应堆上部建筑发生爆炸。大量放射性元素被释放到环境中。幸运的是，在此次事件中，高辐射暴露对普通民众的直接健康影响（包括长期预期寿命）似乎不是特别严重。相反，更为严重的是，由于该事件紧急疏散带来的压力和困难影响，以及农作物、土壤、海陆生物的长期影响，是在短期内难以抹去的阴影。

（4） 现今核电站的燃料循环存在用于制备核武器扩散的风险，这与核电站依赖大规模同位素分离，以及反应堆运行期间钚的生成有关。国际管制制度（由原子能机构建立）就是为了解决这一问题。然而，一些国家还没有接受这些管控措施（例如，朝鲜和核协议签署前的伊朗）。

（5） 现今轻水反应堆可经济开采的铀储量数量有限，而且在世界各国的分布也很不均匀。

（6）目前的轻水反应堆需要浓缩铀燃料。建造合适的铀浓缩工厂成本高昂，而且很少有国家有这样的工厂。

（7）最重要的一点！：一般来说，今天的核能发电与传统的化石燃料电厂相比——充其量也并没有如此巨大、决定性的成本优势，特别是在化石燃料价格较低的情况下。从历史层面来看，使用核能的决定性因素：主要是出于战略性考虑，特别是能源安全，而不仅仅是经济原因。

（8） 由于核电站的复杂性和繁琐的许可证和许可要求，建设新的核电站需要很长的准备时间和漫长的建设时间。

（9） 现在的核电站使用非常大型的反应堆机组，导致了非常高的单位资本成本，对于一座发电量为1千兆瓦（1 GW）的核电站，大约300亿到700亿人民币。这对于某些国家来说，这笔资金的融资极为困难，从而将核能发电——置于包括发展中国家在内的许多潜在用户的范围之外。

纵观一下这份清单，就可以看出当今核能发电所面临的巨大挑战。

新设计变革——如何完美解决核废料问题

对于上述的大多数问题，如果将每一个问题分开考虑的话，都有相对较好的解决方案。例如，无论核电站操作人员做哪些失误操作，也不管反应堆结构可能发生怎样的损坏，建造一个可以通过物理特性排除失控反应的核反应堆，目前是可行的。

仅仅通过物理机制，就可以建造完全依靠被动式冷却的反应堆，这样即使所有主动冷却系统失效或关闭，也可以排除熔毁的可能性。（最近国内自主的第三代核电站有着异曲同工之处）另外，有一些可实现的反应堆设计，其可以很少或根本不产生长寿命的放射性同位素，甚至可以“燃烧”放射性核废料来产生能量。

德国温德兰(Lüchow-区)居民对该国的核政策发起了强烈的抗议，每年 " "运输到德国高放射性核废料的临时储存设施，以及在-盐穹顶建立高放射性核废料储存库的计划。

其实，在目前的核电站中，已经有一些反应堆不需要同位素分离就能生产燃料，还有一些反应堆实际上是已经可以做到防核泄漏。另一方面，从核电站的设计方面来看——小型模块化反应堆，只需要现今常规核电站投资成本的百分之一都不到。另外还有很多方法可以通过核能大大降低电力生产成本。

但是，最大的问题是——如何将这些优势结合在一个系统中。

目前，有许多先进的核反应堆设计，已处于不同的发展阶段，它们有望弥补传统核能的缺点——至少在相当大的程度上是如此。在这里，笔者将介绍四个(笔者自身认为，非官方)最有希望的基本解决方案：（1）熔盐反应堆；（2） 行波反应堆；（3）球床高温反应堆；（4）小型模块化反应堆。虽然接下来的讨论内容，听起来可能会像推销广告或者怂恿发展极端核能主义一样，但笔者将不过多讨论这四种方案中存在问题的方面。同时，笔者也暂不讨论目前正在研究中的新型和反应堆的无数变种和组合。（上面两点会在后续文章中陆续详细分析——）

现有的两种解决方案：根除核废料产生&回收再利用

在试图解释这四种极具潜力反应堆类型的特殊之处之前，我们首先介绍一下基本的物理学知识（以便更好地理解后续内容）。

核裂变的关键因素是——中子。这种奇妙的粒子是原子核的两大组成部分之一，另一个是带正电的质子。但当中子被释放出来在空间中移动时，它就变成了强大的变化媒介。因此，谁能产生大量中子，谁就是核世界之王。由于是电中性的，中子很容易穿透原子核。这会产生两种极为有趣的结果。最终会变成这两种情况中的哪一种，取决于原子核的类型和入射中子的速度。

其中一个结果就是原子核分裂成碎片——核裂变。如果选择了正确的原子核，我们不仅可以得到能量的输出，而且还可以得到更多的中子。如果周围有更多合适类型的原子核，我们可以得到一个自我维持的链式反应。当然，这就是裂变反应堆产生能量的基础，也是利用裂变反应作为中子源来做其他事情的基础。

吸收中子的第二种可能结果是——原子核变得不稳定，但没有分裂成碎片；相反，它迟早会经历“放射性衰变”，释放出高能粒子（α、β或γ粒子）。在α衰变或β衰变的情况下，我们得到一种不同元素的同位素——嬗变。

利用中子嬗变原子核的潜力，为传统核反应堆几乎无法利用的终极问题提供了巨大的可能性。

一种是 "培育 "更多的核燃料。目前，核能发电几乎完全基于一种燃料：铀同位素铀235（U-235），它占天然铀的0.7%。剩下的99.3%由铀238（U-238）组成，由于物理性质的原因，铀238（U-238）并不能进行自我维持的链式反应。

然而，如果我们有足够的中子，我们就可以将铀238（U-238）嬗变为一种优良的核燃料——钚（更准确的说是钚239），从而使核能发电的资源基础增加140倍。

我们可以通过将钍转变成另一种铀的同位素铀233（U-233），来产生更多的核燃料。铀233（U-233）不仅是一种优良的燃料，而且它的裂变只产生寿命相对较短的同位素，从而大大减少了核废料的问题。钍在自然界中的含量至少是铀的3倍。

其次，我们可以利用中子来“燃烧”核废料。这是通过将放射性同位素转化为稳定的同位素，或者至少是寿命较短的同位素来实现的。在这个过程中，我们也得到了额外的能量。然而，大众认知中经常被提及的——所谓的核废料绝对必须储存数千年或更长时间，这是不正确的。相反，一些在图纸设计上的反应堆将可以使用 "核废料 "作为燃料。正如一位科学家曾经说过的：“如果我们把核废料埋起来，那么以后人们就会把它作为一种宝贵的资源来开采。”

做这些事情的关键要求是：

(1)能够产生超过维持裂变反应所需中子的过剩中子。这有时被称为 "中子经济"。在反应堆中，中子不断地产生。它们要么被吸收，要么逃逸到外部。

(2)能够“调谐”中子到合适的能量，以达到预期的用途。核反应受各种共振现象的控制。

考虑到燃料混合物、冷却剂、堆芯成分和反应堆几何布局的选择，使我们有很大的余地来提高中子经济性，并根据我们的要求塑造中子能量谱。例如，事实证明，当中子的原始能量被减慢时，裂变反应往往会更有效地发生——这一要求可以通过使中子与某些材料（所谓的调节剂）相互作用来实现。

当然，反应堆本身只是核电站的心脏。核电站的其余部分（冷却剂回路、换热器、泵、涡轮机、控制系统、安全壳等建筑）——对于安全，特别是成本来说，也同样重要。在现代核电站中，反应堆本身只占成本的20%左右。但是，新的反应堆类型可以开辟这一道阻碍，并大大简化和降低核电站的其余部分，以及为核电站提供燃料和运行所需的整个基础设施的成本。

这是一个系列的第4部分。文首可阅读第1部分，第2部分和第3部分。接下来，将介绍一下：熔盐反应堆和行波反应堆。

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