李存东
中国科学院大学物理学院
培养单位：中国科学院物理研究所
今天，2023 年 8 月 24 日，日本政府原定将要正式向太平洋排放核污水（日本方面亦表示如果因为气象条件不合适将取消排放），这对全人类来说都是一场灾难，日本政府公然向全世界转嫁核污染风险，将一己私利凌驾于全人类长远福祉之上，此举极端自私极不负责任！
应该说，福岛核事故起源于天灾，但发展到今天却更多地来自于人祸，但核电，作为一种绿色稳定的清洁能源技术，可以说是未来我们走向星辰大海必须要点的科技树了。因此，大家也绝不能因噎废食，不能谈“核”色变。
核电站事故大家其实见的也不少了，前苏联切尔诺贝利核电站的事故、美国三哩岛核事故、福岛核电站事故都历历在目。核电站要是出了事故，会产生大量含有辐射的核污染物，例如核废水，会给人类社会带来巨大灾难。这些核污染物目前还没有很好的办法处理，一般通过深埋等待其自行衰变。但我们应该看到，核电站的发展也是突飞猛进的。这不，更安全的四代核电站马上就要来了。
目前世界各国都在大力发展更安全的四代核电站技术，这不，我前两天去百度查（摸）文（鱼）献时，就吃了一鲸，我国核电站技术都已经到这一地步了？
至于为啥吃惊，还请容我卖个关子先。
怎么就第四代了
说起四代核电，一个首当其冲的问题就是，啥是四代核电，这咋就第四代了，前三代是啥，是不是快要核聚变了？
别着急，其实四代核电还是核裂变，而且距离核聚变还有相当距离。
四代核电的概念是由美国人提出来的。1999 年，美国能源部首先提出四代核电的倡议，后来又组织了由阿根廷、巴西、加拿大、法国、日本、韩国、南非、英国和美国九个国家的高级政府代表会议，就四代核电展开了讨论，并达成共识：世界需要发展核电，但现有的三代核电技术还需要改进，而新的核电技术必须要提高经济性和安全性，减少核废物，防止核扩散，新的核电技术要同核燃料循环统一考虑。
其实，核电技术的代际升级可能并没有大家想得那么大，简单来说，第一代核电技术就是早期的原型堆电站，也就是上世纪五十年代到六十年代早期开发的轻水堆核电站；第二代核电站就是六十年代后期到九十年代前期开发的大型商用核电站；至于第三代核电站指的是更先进的轻水堆核电站，这些核电站采用标准化、最佳化设计和安全性高的非能动安全系统。
而第四代核电站的主要开发目标主要有：核能的可持续发展，即通过对核燃料的有效利用，实现提供持续能源，并实现核废物的最少化；提高安全性和可靠性，大幅度降低堆芯损伤的概率集成度，并具有快速恢复反应堆运行的能力，取消在厂址外采取应急措施的必要性；提高经济性以及防止核扩散。
也就是说，安全性提升是四代核电的主要特征之一。我们重点看一下安全性方面。第四代核电站应该能证明不会发生堆芯的严重损坏，并确保不会由超标的厂外释放，不需要厂外响应。也就是说，即便遇上地震、海啸、飓风等自然灾害，四代核电站应该也能保证其安全性，即堆芯不会发生严重损害且不会有含辐射物质泄漏。
至于四代核电的反应堆类型，其实有六种备选方案。分别是：气冷快堆；铅合金液金冷却快堆；熔盐反应堆；液态钠冷却快堆；超高温气冷堆和超临界水冷堆。这六种都可以看作是四代堆，但显然，这其中，有三种是快堆，另外三种则不是，看起来，核电的代际划分标准还是很有特色的（bushi
至于不知道什么是快堆的童鞋，去找高中物理老师补课！
在这六种四代堆中，我国或多或少都有过研究，其中一些已经取得世界领先地位。篇幅所限，我们这一次主要讲讲超高温气冷堆和熔盐反应堆。至于其他的，有时间再聊。
超高温气冷堆
有关核电站是怎么烧开水的，我们之前发过一篇文章已经讲过了：核电，一种更花式的烧开水方式
写得真好，可惜不是我写的。这里面不仅讲了核电站的原理，还讲了我们现在主要建设的落后的压水堆和沸水堆，可谓是前人之述备矣，我就不赘述了，省了我很多工作。
看完上面那篇文章，我想你已经可以理解核反应堆中的慢化剂和冷却剂了。在超高温气冷堆（Very High Temperature Reactor，VHTR）中。慢化剂是石墨，冷却剂是惰性气体氦，这也就是名字的来源，气冷。
上图就是超高温气冷堆的原理示意图，球床堆芯就是核反应发生的地方，卸料管可以及时清除反应过后的乏燃料，保证不停堆加燃料，反应产生的热量在蒸汽发生器产生蒸汽，emmm，就还是烧开水，得到的蒸汽在常规岛循环发电。
VHTR 是上世纪开发的高温反应堆的衍生物，显著特征是全陶瓷包覆颗粒燃料。它被誉为“永远不会熔毁的反应堆”，即使遇上 9 级地震，并引发剧烈海啸，也不可能出现堆芯热量无法散失以致堆芯融化的情况，不会出现核泄漏，十分安全。
我国建造了世界首个商业规模的超高温气冷堆 —— 石岛湾高温气冷堆核电站示范工程 —— 已经在去年并网发电，这是全球首个并网发电的第四代高温气冷堆核电项目，标志我国在这一先进核能技术领域取得世界领先地位。
我国的超高温气冷堆采用球状堆芯，其核燃料元件是耐高温全陶瓷包覆颗粒燃料球，直径 6 厘米，最外层是石墨层，里面是基体石墨粉，这就是核反应的慢化剂，石墨粉中分散着 12000 个四层全陶瓷材料包覆的、直径 0.9mm 的核燃料颗粒。
至于其不会熔毁的秘密就在于这颗石墨球，这颗燃料元件在 1650℃的高温条件仍能有效阻挡放射性的泄露，而设计表明，即使遇到极端事故，堆内温度也不可能达到这个温度。因此超高温气冷堆具有非常高的安全性。
除了固有安全性高，超高温气冷堆的发电效率更高；其堆芯出口的工作温度高，可以在不产生二氧化碳的情况下制氢；高温还可以向工业领域供热，用于石油化工、煤气化等领域。
熔盐堆
现在回收文章开头，那个令我振奋的消息就是：我国钍基熔盐堆实验堆开始试运行了。
我们还是先说熔盐堆。在四代堆的六种候选堆型中，熔盐堆 (Molten Salt Reactor，MSR) 是唯一一种液态燃料反应堆。熔盐堆使用的冷却剂是熔融盐，一般是氟盐，它一般也是核燃料的载体，燃料就溶于氟盐中。其采用的燃料一般是铀或钍的氟化盐。现在也发展出了固态燃料熔盐堆的概念，仅将氟化熔盐作为冷却剂传输热量，采用碳化硅密封、石墨包敷的燃料颗粒作为核燃料。
熔盐堆的核反应就在左侧进行，下方的冷冻塞及应急储存罐是反应堆安全性的重要保障。以热交换器为界限，左侧为核岛，右侧是常规岛，反应释放的热量由冷却盐吸收，并被用于在常规岛加热产生高温蒸汽，驱动汽轮机发电。所以，虽然常规岛还是在烧开水，不过核岛算是在烧盐？
熔盐堆的固有安全性显而易见。熔盐堆的燃料本身就是融化的，根本就不存在堆芯熔化的问题；熔盐的低蒸气压减少了破口事故的发生，即便发生破口事故，熔盐在环境温度下也会迅速凝固，防止事故进一步扩大出现破口事故；而当堆芯温度上升超过预警值时，底部的冷冻塞可以自动融化，熔盐会流入应急罐并冷却，不会造成核污染。
熔盐堆可以使用钍基核燃料。钍基核燃料的储量高于铀基核燃料，同时钍基核能不易用于制造武器，更适合做民用用途。
除了安全之外，熔盐堆可以更有效地利用核资源并防止核扩散。熔盐堆不挑燃料，可以直接利用铀、钚和钍等所有核燃料，而不用特别处理，甚至可以利用核武器拆解得到的钚。其产物中只有极少的钚，可以防止核扩散。
熔盐堆的热功率密度高，可以小型化模块化设计。运行中无需控制棒，可以不停堆换料，寿命长，功率易调。
熔盐堆可以运行在高温下，同样可以用于制氢、制氨、煤气化等工业领域。
熔盐堆可以建造在地下，对水没有需求，因此可以建造在内陆干旱地区。熔盐常温时为固态，不会因泄漏而导致大量的核污染，对生物圈和地下水位的防护没有那么严苛，可以建造在地下，地下建造也可以更好地保护核电站。熔盐堆核岛不需要冷却水，因此可以建造在干旱无水的地区。
核电作为典型的清洁能源，环保无污染，输出又稳定，是目前最理想的发电方式之一。大力发展核电，不仅可以让我们获得更廉价的能源，也有助我们早日实现碳达峰、碳中和的目标。因此，中国是世界上核电在建装机容量最大的国家。而核电的发展也是突飞猛进，经济性，安全性都得到了显著提升。相信我们未来，会用上更多更好更安全更便宜的核电。
封面图来源：中建二局中标华能山东石岛湾核电厂扩建一期工程项目
参考文献：
[1] 王世亨.第四代核电站与中国核电的未来 [J].科学，2005,57 (01):18-21+4.
[2] 邓晖，詹萌. “不会熔毁的核反应堆”为何固有安全 [N]. 光明日报，2022-01-06 (007).
[3] 李雪峰，雷梅芳.第四代核能系统的产生与发展 [J].中国核工业，2018 (02):29-32.
[4] 葛维维.高温气冷堆: 做“走出去”的领跑者 [J].中国核工业，2018 (02):15-17.
[5] 国家最高科技奖出炉，你还不知道高温气冷堆是咋回事？
[6] 蔡翔舟，戴志敏，徐洪杰.钍基熔盐堆核能系统 [J].物理，2016,45 (09):578-590.
[7] 胡春玫.熔盐堆的“文艺复兴”[J].中国核工业，2018 (02):26-28.
本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：李存东
广告声明：文内含有的对外跳转链接（包括不限于超链接、二维码、口令等形式），用于传递更多信息，节省甄选时间，结果仅供参考，IT之家所有文章均包含本声明。