2000年,柯克?索倫森(KirkSorensen)還是美國國家航空和宇宙航行局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration)的一名工程師。當時,他在尋找為未來群居月球提供核動力的備選方法。他偶然看到了一本描述熔鹽反應堆的書,書中談到用液態(tài)核燃料作為能量來源。
這聽起來有點不可思議,索倫森說道。據(jù)他所知,所有核反應堆都用固態(tài)鈾做燃料,最初的“輕水”反應堆現(xiàn)在在核能行業(yè)是主流。然而,這本書解釋說,田納西州的美國橡樹嶺國家實驗室(OakRidgeNationalLaboratory)已對熔鹽反應堆進行三十多年的研究。而且,液態(tài)鈾、即含釷燃料具有得天獨厚的優(yōu)勢。例如,即使遭遇災難性的核反應堆堆芯溶化,熔鹽反應堆也不會受影響,不會產(chǎn)生帶有钚及其他長期存在的放射性同位素的核廢料,會將那些同位素完全破壞掉。
索倫森說,優(yōu)勢數(shù)不勝數(shù),“幾乎所有熔鹽解決核能問題的方式都可能遠遠勝過”輕水反應堆的。他問道:“那么,我們何不從一開始就采取這樣的方式呢?
過去的十年中,很多人在問這個問題,不僅僅就熔鹽反應堆一事。由于戰(zhàn)爭安排,美國研究項目1976年放棄了那項特別技術(shù)的研究。不過,它僅僅是在核能商業(yè)化大潮中第一波就擱淺的眾多替代技術(shù)之一。其他的技術(shù)還包括能夠燃耗核廢料的“快速”反應堆,以及大量減少溫室氣體排放的工業(yè)無碳供熱高溫反應堆。總體來看,這些替代技術(shù)可以彌補大部分、甚至是所有核能的缺陷。而數(shù)十年來,因為日程計劃和融資水平都在不斷變化,研究人員對這些技術(shù)的關注也時斷時續(xù)。
現(xiàn)在,改變或許即將到來。過去十年中,一些國家對安全無碳能源的需求激發(fā)了政府對替代核能技術(shù)的興趣,企業(yè)也在努力重啟并推廣一些核能設計。特別是在中國等發(fā)展迅猛的國家。樂觀人士認為,即使去年發(fā)生了日本福島第一核電站的災難,也最終會推動人們選擇更安全的核反應堆。去年,索倫森為促進熔鹽反應堆商業(yè)化在阿拉巴馬州亨茨維爾創(chuàng)立了福利波能源公司。無論是福利波能源這樣處于起步階段的公司,還是正在開發(fā)商用快速反應堆的通用電氣-日立核能這種工業(yè)巨頭,大小企業(yè)都希望準備就緒。
然而,復興這些技術(shù)并非一日之功,不會一蹴而就。盡管基礎設計幾十年前就已完成,但要實際運行,工程師們還必須進行多種開發(fā),如開發(fā)防輻射材料、更高效的換熱器、改良的安全系統(tǒng)。然后,他們必須向監(jiān)管機構(gòu)證明,所有這些安全系統(tǒng)都能發(fā)揮作用!昂瞬⒎且资隆,馬薩諸塞州劍橋市“憂思科學家聯(lián)盟”(UnionofConcernedScientists)的高級全球安全分析師埃德溫?萊曼(EdwinLyman)表示,“它成本高,見效慢,風險極大,因為必須考慮安全因素”。
但相關人士都堅信:未來核工業(yè)最美好的前景就是回到過去。正如索倫森就取消熔鹽項目指出的:“從來沒人說過,‘我們可能錯了,也許應該回到從前,重新審視那個決定!。
最早,但非最佳
輕水反應堆之所以占主導地位,并不是因為最好,而是最早。它最初開發(fā)是在20世紀40年代后期,當時要為核動力的船舶和潛艇提供緊湊型的發(fā)電設備。20世紀50年代,美國試圖在原子能問題上扮演和平角色,于是創(chuàng)立了商業(yè)化的核能工業(yè),輕水堆設計也由此得到改進和按比例增加!拜p水”是流過堆芯的普通水。它吸收了堆芯的熱能,再傳遞給常規(guī)核蒸汽機輪,從而將熱能轉(zhuǎn)化為電能。
最后,這些反應堆組成一個更大的系統(tǒng),補救了低效率的基本問題,因為如果只有單獨一個反應堆,會很快自己產(chǎn)生毒物。隨著連鎖反應進行,鈾原子裂變產(chǎn)生的碎片越積越多,為保證反應不斷進行反應需要吸收的中子越來越多。也許18個月以后,燃料燒完了就必須移去反應堆,即使里面還有很多原始能量。
前美國能源部核能辦公室負責人、美國核管理委員現(xiàn)任委員威廉?馬格伍德說:“所以我們以前總想能有種回收二手燃料的基礎設備,可以再次獲得更多的燃料能量!痹偬幚砉S遍布世界。這些工廠回收用過的核燃料,再通過化學方式提取仍然可用的部分,多是鈾-235,還有不可裂變元素鈾-238吸收中子形成的可裂變元素钚-239,然后將它們變?yōu)樾碌姆磻剂。最終,按計劃會轉(zhuǎn)變成新一代“增殖”反應堆,以使钚的產(chǎn)量最大化。唯一的廢料是極少的強放射性裂變殘留物,其中的放射性物質(zhì)可能需要幾個世紀才能衰變。處理時這些殘留物將投入精心設計的混凝土貯倉。
馬格伍德說,20世紀60年代到70年代早期,這種設想主導著美國的戰(zhàn)略發(fā)展,當局不再將多數(shù)研究費用用于非增殖反應堆設計,比如熔鹽反應堆。該方案運用廣泛:目前全世界運營的437座核電反應堆里,有356座是輕水反應堆。
但是后來,到了1974年5月,印度測試了一枚核彈,其中的鈾元素就是從核反應堆燃料中提取而來。世界各國政府突然間被迫面對一個地緣政治方面的事實:大規(guī)模商業(yè)化核燃料回收將導致肆無忌憚的核武擴散。因為每家再處理工廠都會處理成噸的钚元素,足以制造核彈。制造一件核武器只需要4到6公斤的钚。審查機構(gòu)又如何確定誰都沒有改變這些钚的用途?
所以,1977年4月,美國總統(tǒng)吉米?卡特禁止商用再處理。幾年以后,新任美國總統(tǒng)羅納德?里根廢除了該禁令,但是回收成本非常高,所以從那時起,僅有兩家法國的商用再處理工廠運營。大部分增殖反應堆的研究都停止了。因為沒有了再回收,它們的存在就變得毫無意義。工程師們發(fā)現(xiàn)自己面臨如何處理燃料廢棄物這個棘手問題。由于鈾-239的半衰期為2.41萬年,現(xiàn)在他們要使上萬噸二手核燃料離析,則需要幾百個世紀?墒牵沒人想到保證離析按時完成的方法。
與此同時,在20世紀70年代,對安全問題的抗議與日俱增。不管出于什么原因,只要流過輕水反應堆的水流受阻,熱量就會困在堆芯。從技術(shù)上講,即使關閉反應堆,核裂產(chǎn)物仍會在放射性衰變過程中產(chǎn)生熱量,足以融化燃料,逃出反應堆。所有的輕水反應堆有緊