我国早在上世纪60年代便启动了钍基熔盐堆的研究,目前由中国科学院上海应用物理研究所主要推动发展钍基熔盐核能系统,我国钍基熔盐核能系统的科技目标是实现“钍基核能、无水冷却、高温制氢、小型模块”的目标。
根据中科院上海应用物理研究所研究员、中科院先进核能创新研究院筹备组组长徐洪杰介绍,我国钍基熔盐堆研发已有清晰战略目标:近期,也就是2020年前,将建成世界首个10MW固态燃料钍基熔盐实验堆和一座2MW液态燃料钍基熔盐实验堆,目前已基本掌握实验堆关键技术,四个原型系统研发进展顺利;中期,即到2025年,建成100MW固态燃料钍基熔盐示范堆和10MW液态燃料钍基熔盐实验堆,在国际上率先实现固态燃料熔盐堆应用;远期,到2030年,建成100MW液态燃料钍基熔盐示范堆,在国际上率先实现钍铀燃料循环利用。
目前,我国《能源技术创新“十三五”规划》已发布,其中提出:2016-2020年,完成世界首座钍基熔盐仿真堆与2MW钍基熔盐实验堆建设,总体技术水平居国际领先。我们认为,我国钍基熔盐堆研发进程目标设定合理,相关招标进程也在有序推进,后续钍基熔盐堆技术研发将持续推进,引领国际钍基熔盐堆技术发展。
4可控核聚变,未来核能发展的终极方向
目前人类应用较为成熟的核能发电技术为核裂变发电,此外在核衰变发电领域也有相关的应用。展望未来我们认为核聚变将成为人类能源的终极解决方案,届时如果实现可控核聚变发电,人类能源供给将取之不尽用之不竭。
核聚变是相对于核裂变而言的另外一种核能利用途径,其主要指两个较轻的原子核在一定的条件下(超高温、高压)摆脱核外电子束缚聚合到一起形成另外一种原子核的过程,由于在这个过程当中伴随着原子质量的损失,从而能够产生超强的能量。目前主流的核聚变反应为氘氚核聚变反应,氘氚均为氢的同位素,其中氘可以在自然界中提取,而氚也能够进行人工合成,据测算1L海水中所含氘核聚变后所释放的能量相当于300L 汽油燃烧释放的能量,与此同时,氘氚核聚变产物为惰性元素氦,清洁无毒。
氘氚核聚变反应条件极其苛刻,是目前限制受控核聚变发展的主要因素。在地球上如果要想产生核聚变需要将氘氚的温度加热到1亿度左右,原子核的外层电子与原子核分离成为自由电子团,此时的物质由带正电原子核群体与带负电的电子群体组成,这样的物质被称为“等离子体”,等离子体中的原子核由于失去了电子束缚,因而更易发生相助作用,此时才具备了核聚变的基础。由于维持氘氚处于等离子状态需要使其保持上亿度,同时为了实现持续可控的聚变反应,需要将氘氚限制在一个特定的区域内,而地球上目前已知的任何一种物质都无法承受如此高的温度,因此无法使用常规方法约束等离子体。目前约束等离子体的主流的方式为磁约束,即通过磁场产生的磁力对运动中的带电粒子进行约束,由此而形成的的主流受控核聚变装置为“托卡马克”(Tokamak)。
目前受控核聚变装置基本上处于能量入不敷出阶段,前路依然艰辛。加热和维持氘氚处于等离子体态需要较多的能量,基于目前技术水平,如果要实现较长时间的受控核聚变,能量释放还无法覆盖相应的能量投入,因此受控核聚变产业化应用还有很长的一段路要走。