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超高温反应堆（文·李颖娟）
1951年12月20日，美国爱达荷州Arco小镇外，当串在一起的四盏100瓦灯泡，闪烁出越来越耀眼的光芒时，人类首次成功地用上了核能。与煤炭和石油化工燃料不同，核裂变是核能爆发的关键，它放射出的物质没有二氧化碳。
一个核反应堆产生的能量来自其内部的能源棒，而每一个能源棒都充满了铀氧化物。每当内部的中子撞击铀原子的时候，原子就一分为二，同时散发出能量，并释放更多的铀原子，新产生的铀原子又与其他的原子互相碰撞，从而形成了一个反应链。这个过程中积累的热量能使水变为蒸汽，进而推动发电机旋转产生电能。由于铀原子裂变所产生的能量是燃烧煤炭所产生能量的一千万倍，因此理论上，核能是最具效率和经济价值的能源。
具体来说，一座百万千瓦的火电站需要260万吨煤，而核电站只需要30吨的铀原料就可以。核电站一年产生的二氧化碳仅是同等规模燃煤电站排放量的1.6%，核电站不排放二氧化硫、氮氧化物和烟尘。此外，核电成本优势突出。目前国际上成熟的核电成本普遍低于煤电成本，法国核电成本是煤电成本的0.57倍，日本是0.66倍，美国在1962年就已经低于煤电成本。
核能到底有多危险
但是，在近60年中，对于核能，公众更关心的是，核能可能带来的危害事件和能源废料。科学家还需要找到一个可行的、安全的、合乎法律的废料处理方式。“无论你支持还是反对，我们都已经在燃烧能源了，”1976年诺贝尔物理奖得主BurtonRichter说，“现在，6万吨燃料正在反应堆里燃烧着”。
其实，内部人员比很多人更了解核设施的安全性。在美国的土地上，还没有一个人死于核事件；相反的是，从“大气净化力量”环保组织2004年的报告中显示，美国每年有两万四千人死于化工燃料产生的气体。正如绿色心灵组织的环保人士Moore所说：“在减少化工燃料的使用上，没有任何技术能比核能做得更多。”
目前，在第二代核反应堆技术中，其安全系数已经能够达到一万个堆平均一年可能会发生一次堆心溶化的低概率。而在日本的第三代ABW2技术，则就到了10万个堆年可能发生一次堆心溶化。在新技术使用前，“全世界范围内除了深度掩埋核废料，还没有更好的办法。”芬兰TVO公司的副总裁安尼利·尼古拉表示。该公司在芬兰运营两座第二代核电站，他们采取的办法是将废料埋到深度在100米以下的岩石坑。而未来芬兰所有核电站的废料都计划放置在400米深的岩石仓库里。
具体而言，处理核废料，国际流行的办法，除了污染较大的“适当包装、储存，一起直接处置”，还有一种“分离-嬗变战略”。其原理是先将乏燃料进行化学分离，再用嬗变装置将少数危险大、寿命长的毒素转换为稳定的核素或是寿命相对较短的核素。
超高温反应堆：提升50％效率
最近，美国爱达荷国家实验室（INL）研发了两个新的设计：超高温反应堆（VHTR）和钠冷却反应堆（SFR）。两者的安全特性结合起来就可以防止反应堆热量过高和放射性物质的泄漏。科学家希望这些新发明能够最终抹去人们对“三里岛”核泄露及“切尔诺贝利”事件的痛苦回忆，同时推动核工业的发展。
切尔诺贝利核电站事件的主要原因是因为其采用了过时的技术，而且它的这种堆型本身在设计上就是存有缺陷的。按照核反应堆安全保护的相关要求，在铀裂变产生热量时，反应堆的工作应该是负温度效应：当温度逐步升高时，核反应堆的反应性就会呈反方向地逐步下降；而反应性下降，其产生的能量也就会随之减少，这样就能将温度逐步降下来。如此反复循环，使反应堆中堆心（堆放核燃料并燃烧工作的地方）的温度始终能够保持一个合理的范围内。
而切尔诺贝利核电站当时采用的是正温度效应，反应堆工作越久，温度就一直上升，到后来就把堆心给溶化掉了，加之又没有建造安全壳，缺乏第四道保护屏障。所以产生了核爆炸泄露事件。而1979年美国三里岛核电站在发生事故时，由于有了防护墙，虽然造成了堆心溶化事件，但放射性物质并没有对外泄露。
这次美国科学家研发的超高温反应堆，有一个由石墨制造的反应堆核心，可以在非常高的温度下仍然保持硬度和形状不变。氦气将反应堆冷却，并且把热量输送到外核。反应堆利用二氧化铀粒子来保证在高温下不发生挤压和放射出裂变物质，而且这些粒子也都是覆盖着一层石墨的。因此，超高温反应堆能够把氦加热到1000摄氏度（1800华氏度）以上——这是目前存在的反应堆能达到温度的三倍。进而氦的热量能够产生蒸汽来推动发电机。
与切尔诺贝利反应堆不同的是，超高温反应堆是负温度效应，这意味着反应堆永远不会达到足以让自己崩溃的高温。“无论人们做错了什么”INL的科学家McCarthy说，“假如有任何异常的事情发生，设备就会自动停止运转。”
超高温反应堆发电的效率大概比全美效率最高的反应堆高40%多。它产生的热量还可以供附近的工厂使用。该设备能够利用高温蒸汽电解分离水分子，进而生产氢燃料。因此，它在生产氢能源方面的效率比现存设备要高50%。
2005年美国能源部门已经授权INL建造超高温反应堆，它将于2018年到2021年间建成。但是科学家首要问题是技术上的障碍。例如，坚硬的新合金可能是保护反应堆里层的必需物品。“但目前反应堆的材料时常不能匹配所应承受的温度和压力，”Richter说，“即使找到了匹配的材料，为了那些正在建设中的超高温反应堆设备，可能还要花费数百万的美元。”
钠冷却反应堆：可以燃烧废料
钠冷却反应堆依附于一个全新的裂变概念：即用核燃料集中撞击铀原子和中子。这将产生比当前热反应堆多近百倍的能量，并且只需要使用燃料潜在能量的1%就可以了。钠冷却反应堆还可以燃烧其他反应堆的核能棒，消耗铀浓缩过程中剩下的铀，减轻核废料产生的问题。
美国原子能工业专家组的科学家估计，钠冷却反应堆产生的能量足以满足美国人本世纪的需要。二次燃烧核能棒还能减短放射物质衰减的时间；反应完成后的废料会在一百多年后就消失，而并非几百年。
不幸的是，钠冷却反应堆中用于传送内核热量的钠叫人忧喜参半。不像水，液态钠只是一种理想化的冷却剂，它并不能阻止快中子的运动。虽然在正常的大气压力下运行，它也能提高安全性。但是液态钠不能传热，这使得它很难对反应堆运行时的热量传输进行监控。
为了弥补这个缺陷，INL的研究人员正在研制一个电脑模拟器，用来模拟液态钠在快速反应堆中的运行情况。因为反应堆有燃烧废料的能力，一个改良的钠冷却反应堆最终能够减轻废料带来的问题。然而即使是在最佳状况下，二次使用的燃料仍旧会产生足以影响几个世纪的放射性危害。核工业还将不得不继续面对人们对反应堆的极度恐惧。
中国技术
我国“863”计划研发了两种先进的反应堆。一种是由清华大学核能技术设计研究院承担的10兆瓦高温气冷实验堆。高温气冷堆具有安全性好（不会对厂外公众造成危害）、发电效率高（蒸汽发电效率38-40％，氦气透平发电45-47％）、用途广（可进行煤的气化和液化、制氢等）的优点。该反应堆已于2003年1月29日达到满功率并网发电。另一种是由中国原子能科学研究院承担的中国实验快堆。快中子反应堆的主要优点是可大大提高铀资源的利用率，从目前轻水堆的1％左右提高到60-70％。(SMW)
新闻来源：网易(2009年7月10日，原载《南都周刊》)
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