《资治通鉴》评说

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【钻石收藏】(三)力量源泉 B.未来能源

(2013-09-05 19:53:32) 下一个

很多人对于核能的使用存在着根深蒂固的恐惧,美国的三哩岛、前苏联的切尔诺贝利和日本的福岛核事故更是加深了这种恐惧。是的,核电站是具有危险性的,但核能也是目前唯一能把人类文明带入更高级阶段的能源,否则,在耗尽化石能源之后,仅仅依靠水电、风电和太阳能的话,连维持现有的能源消耗都不够,人类社会必将陷入衰退甚至灭亡,在这个问题上没有退路可言。试想,如果祖先们在点燃火堆的时候出于害怕被烧伤而放弃,那我们的现在将会怎样?千万年来不知有多少人葬身火海,我们从未因此放弃用火,同样,也没有必要因为害怕而放弃核能。我们要做的是想办法让核能变得更安全,是去驯服核能而不是逃避核能,正如我们的祖先当年驯服了火而不是象其它野兽那样逃开了事。

 

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更何况我们的技术是在不断地进步的,核电站的安全性也随之变得越来越高。核电站实现安全的方式可分为主动安全和被动安全两种。主动安全的方式依赖于安全设备或人员的监控,如果核设施发生异常,这些设备或人员就会采取动作,将核设施重新置于安全的状态。而一旦这些安全设备发生问题,核电站的安全就会失去保护。前苏联的切尔诺贝利核电站是第一代核电站,发生核事故是由于人为关闭了安全措施造成的。日本福岛核电站属于第二代核电站,发生核泄露则是由于海啸破坏了核电站的后备电源,再加上后续抢救不力,使得安全控制措施因断电而失效,最终导致反应堆完全失控。而被动安全方式则不需要安全设备或人员的主动介入,一旦出现意外,反应堆会自动熄灭,从根本上避免核事故的发生。

AP1000和高温气冷堆分别代表最先进的第三代和第四代核电站技术,是目前最好的核能利用方式,和之前的核电站相比,安全性得到了极大的提高,二者是被动安全式的。而在被动安全措施中,又可以再分为技术安全和原理安全两种,前者依靠被动式技术来实现安全,后者则是从反应堆工作的物理原理上杜绝了发生熔堆的可能。AP1000采用的是被动安全式技术措施,无需任何外部或内部动力供应,依靠自然重力就能发挥作用。

 

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而高温气冷堆则更加安全,其安全性是由物理原理保证的,是由反应堆内部的工作方式决定的,不依赖于任何主动式或被动式的外部安全设备,失去冷却后会自我控制反应温度,不会发生堆芯熔化。2011年9月,由国际原子能机构组织,在国家核安全局的批准和监督之下,清华大学研制的10兆瓦高温气冷堆进行了“不插入控制棒下反应堆丧失冷却”的核安全实验演示实验,来自30多个国家的60余位国际原子能专家在现场观看了实验,实验中该反应堆的安全性得到了验证。不过高温气冷堆也有自己的短板,那就是单堆功率较小,最大电输出功率只能达到10万千瓦左右。

在核电关键设备方面,中国也取得了相当的进展。2013年8月,位于四川德阳的东方电机为台州核电站制造出了目前世界上最大容量核能发动机,总功率1750兆瓦,用于第三代EPR压水堆。

从人类已经掌握的知识来看,核能的利用方式有两种,除了前面提到的核裂变,最有希望给人类带来崭新未来的是可控核聚变。可控核聚变的技术关键有两个,一个在于必须把原子核极为紧密地压缩到一起才能引发核聚变,因此聚变反应必须在极端高温高压的情况下进行,世界上没有任何材料可以承受这种温度和压力;另一个在于聚变反应会释放出极其巨大的能量,而这种能量会吧参与反应的核材料打得飞散,造成反应中断。所以,如何产生和保持核聚变所要求的极端高温高压是达成可控核聚变的关键问题。另外,如何把聚变产生的巨大能量转化成电能也是个问题。

现在世界上对于可控核聚变的研究方向有两个,一是惯性约束可控核聚变,用高能激光照射包含核材料的小球,使之发生聚变反应,并且利用原子自身的质量惯性使其在飞散之前完成核反应;另一个是磁约束可控核聚变,利用强磁场产生的力把核材料约束在足够小的空间之内,使其连续发生核聚变反应。

前面说过,中国发展高新技术的策略是全面竞争,所以这两种核聚变方式的研究是一个不能少,同时展开了两个研究方向。要知道,可控核聚变代表了人类最尖端的科技水平,其涉及的产业链之广、技术之高、理论之深、花费之巨,都是难以想象的,即便是美国也只开展了惯性约束这一个研究方向,而中国能同时开展两个,并且一个处于紧随的水平,另一个已经是领先的水平,足见中国的工业和科技水平已经达到了怎样的一个程度。

 

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惯性约束可控核聚变和核武器有着千丝万缕的联系,其本质就是用激光打击含有核材料的靶球,从而有控制地引发微型氢弹爆炸,实际的氢弹爆炸则是不受控的惯性约束核聚变,所以世界上只有少数几个核大国才有资格有能力进行研究,目前是中、美、法三家。中国从六十年代激光刚出现的时候就开展了这方面的理论探讨,七十年代开始激光研究和打靶实验,八十年代建造了神光I装置,从九十年代开始启动神光II工程,2007年开始建造神光III装置原型。

实现可控核聚变的另外一种方式,也是最有希望成功的方式,是基于磁约束的受控核聚变。在这方面中国是和是世界同步的,从50年代起步到现在,相关研究和实验始终没有中断。1984年,中国建立了自己的第一个可控核聚变实验装置――环流器一号,此后又陆续建立了多个实验装置,直到东方超环。

东方超环是一个中国主导的国际合作项目,用于研究磁约束可控核聚变,中国科学家创造性地提出了全超导非圆截面的方案,使装置的运行指标大为提高。其中关键的中性束注入系统完全由中国自行研制,涵盖了精密的强流离子源、高真空、低温制冷、高电压及隔离技术、远程测控及等离子体和束诊断等多个科学技术领域。

 

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在东方超环装置中,核聚变容器是其中最核心的部件,内部是上亿度的核聚变反应区域,释放出能量巨大的各种辐射,外面是接近于绝对零度的超导线圈,里面运行着巨大的电流,产生出强大的磁场。整个装置是在超大电流、超强磁场、超强辐射、超高真空、超级高温和极端低温等极端条件下运行的,这对设计、制造、材料、工艺等诸多方面都提出了极为严苛的要求。特别是其内壁材料,需要承各种受极端条件的考验,是目前人类研制出的工作条件最严酷的材料,被称为“第一壁材料”。在其研制过程中,中国科学家突破国外的技术封锁,独立研制出了核聚变反应容器的关键内壁材料,并且成为国际核聚变试验堆的供应方。除此之外,中国还自己研制出了该反应堆所必须的其他很多关键部件和核心零件,并由此形成了全套的超导磁体设计、制造和综合实验测试能力。

从当前的进展来看,磁约束可控核聚变是最有希望的突破方向。而中国在这方面取得的进展是全球最领先的,也是最接近于实际应用的。如果这项研究能够取得成功,将是自人类学会用火以来最大的技术突破,成为把人类带出地球摇篮、走向星辰大海的动力。

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