我国钍基熔盐堆核能系统研发获重要突破

“公众对‘核’往往心存忌惮,但核科学技术实际上已经跟我们的生活分不开了,医院的伽玛刀、PET、放射性诊断和治疗药物等先进诊疗手段,都是核科学技术带给现代社会的‘福利’,大大提升了人们的生活质量。”青年科学家林俊说。

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上海市核学会成立40周年纪念大会暨学术报告会举行
我国钍基熔盐堆核能系统研发获重要突破

林俊是中国科学院上海应用物理研究所堆材料与工程技术部副主任。

造就第438位讲者 黄鹤飞

12月29日,上海市核学会成立40周年纪念大会暨学术报告会在上海科学会堂举行。包括中科院院士沈文庆、马余刚等300多位专家学者参加。

他说,在现代社会,核科学技术改善着人们的生活,除了医疗方面,还在环保、农业和先进材料生产等领域有广泛应用,而核能更是为人们提供了源源不断的清洁能源。

中科院上海应用物理研究所

“中国的核能从上海起步。”上海市核学会理事长赵振堂表示,挂靠在中科院上海应用物理研究所的上海市核学会与改革开放同行,成立40年来,以为国民经济服务和为人民生活服务为宗旨,不断创新,勇于探索,已成为上海核技术领域的骨干创新力量。

林俊1978年出生于江苏丹阳,他与“核”的结缘,还得说回1998年。那年,林俊还是南京大学三年级的学生,正面临着本科分专业。他还记得,那是在学校的大礼堂,各个专业的老师轮番上台为学生介绍专业,其中一名核物理教授有感染力的讲述,为林俊打开了核科学技术的大门,他就这样踏上了与“核”结缘的科研道路,将居里夫人等卓越科学家视为学术偶像。

堆材料与工程技术部主任 研究员

中科院先进核能创新研究院院长徐洪杰、上海核设计研究院院长陈煜和中科院上海高等研究院副院长赵振堂分别作了大会学术报告。

在南京大学获得博士学位后,林俊来到中国科学院上海应用物理研究所从事博士后研究。这个研究所是中国科学院知名的以核科学技术为特色的研究所,在这里,他加入中国科学院核分析技术重点实验室的环境科学研究团队,利用核分析技术来开展中国特大型城市大气污染的研究。

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徐洪杰在题为《钍基熔盐堆的昨天、今天和明天》的报告中表示,我国钍基熔盐堆能源系统研究已获重要突破。“建设2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆,是TMSR研发的关键环节,也是TMSR先导专项的核心目标之一。”他透露,选址于甘肃省武威市民勤县红砂岗工业区的实验堆,已取得国家核安全局颁发的《选址审查意见书》。目前正按计划开展实验堆建造许可证申请、实验堆工艺设备加工制造、园区配套设施建设等。

在博士后以及留所工作的数年里,林俊融入研究团队,利用核分析方法这一研究利器,为灰霾成分检测和污染源追踪提供了常规方法不易得到的信息。但随着研究的深入,他的心里总盘旋着新的疑问,“我们研究灰霾等大气污染的成分特征、演化过程以及污染来源,但这就像一位大夫会诊病却不会治病一样,我们要怎样从源头阻断污染的产生?”

我叫黄鹤飞,来自中国科学院上海应用物理研究所。

钍基熔盐堆核能系统项目是以钍作为核燃料、以复合型氟化盐作为冷却剂的第四代反应堆核能系统,包括钍基核燃料、熔盐堆和核能综合利用三个子系统,其优势是具有固有安全、防核扩散、常压运行、高温输出、无水冷却和高效率利用钍基核燃料(我国钍资源储量丰富)等特点,既可为干旱缺水地区提供电力,又可高效制氢、二氧化碳资源化利用实现温室气体减排。

机遇出现在2011年,那年中国科学院为落实“创新2020”规划,部署了首批战略性先导科技专项,上海应用物理研究所承担了“未来先进核裂变能——钍基熔盐堆核能系统”专项,计划用20到30年的时间来攻关,研发先进的新一代裂变核能系统,实现工业应用。彼时,林俊发现,他心中的疑问有了解决出路。

随着经济发展以及节能减排逐步推进,而中国的能源需求持续增大,裂变核能作为一种安全、高效的绿色清洁能源,必将发挥越来越重要的作用。

同时,源于TMSR的高温熔盐技术可应用于高效储能、制氢,与太阳能、风能相结合能够形成基于TMSR、多能互补的低碳复合能源系统,解决我国西部地区弃风、弃光问题,是可以全覆盖“一带一路”区域的清洁高效能源系统。

“要从根源上解决环境污染,就要找到清洁的能源,而核能在清洁能源中起到非常重要的作用”,林俊说。他表示,核能发展的历史不短,近年来,法国的核能发电大概占总发电量的75%,韩国占30%,美国占19%,相比之下,中国还不到4%,远没有达到10.6%的国际平均水平。

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2011年中国科学院部署启动了“未来先进核裂变能——钍基熔盐堆核能系统”战略性先导科技专项,面向国家能源可持续发展与节能减排的重大战略需求,瞄准工业应用目标,由中国科学院上海应用物理研究所牵头、约十家科研单位和高校参与,从TMSR技术研发起步,长期攻关、分步实施、持续推进。

林俊说,核能也在不断发展进化,新一代核能不仅能提供电,还可以提供高品质、“无碳”的高温热源,从而扩展出更多的用途,比如高温制氢、高温化工、合成氨等。

我们不妨先来看一下裂变核能的发展经历,从1950年的原型堆到第二代堆是一个前期的发展阶段,秦山核电站就属于第二代反应堆。

随着中科院先导专项的实施,TMSR研发已相继列入《上海系统推进全面创新改革试验加快建设具有全球影响力的科技创新中心方案》、《中国制造2025》、《能源技术革命战略行动计划(2016-2030)》等国家发展规划。

于是,他义无反顾地加入了这个核能研究队伍,结合自己的专业特长,在项目中承担核燃料研发的任务,“核燃料是核能巨大能量的来源,它对反应堆、核电站的安全性和经济性有重要影响,我们当前的任务就是为第四代反应堆——钍基熔盐堆,研发核燃料。”

在2011年福岛核事故之后,人们对核反应堆的安全性提出了更高的要求,所以第三代核反应堆应运而生。

徐洪杰介绍说,目前已建立了国际上最大规模的TMSR研发科技团队,建成了覆盖TMSR各领域方向的基础研究实验室和研发试验平台构成的先进的TMSR低放非核实验基地,开展了以我为主、卓有成效的国际科学技术合作,形成了有中国特色、瞄准国际发展前沿、符合市场需求的独特的钍基熔盐堆发展战略和技术路线。实现钍铀循环、堆本体工程设计、系列高温熔盐回路、安全与许可等原型系统和高温合金、高纯熔盐、腐蚀控制、核纯钍、高丰度锂7、氚处理、钍铀燃料盐干法分离等一系列关键技术突破,在实验室规模全面掌握TMSR的科学与技术,为建设实验堆奠定了科技基础,并基本形成我国TMSR相关的产业链雏形。国际评价“中国正引领全球熔盐堆研发”。

他介绍,钍燃料是其研发重点,而熔盐堆正是一种能够高效利用钍的反应堆,“要知道,中国‘钍’的储量丰富,是‘铀’的数倍,它有望成为解决中国核能长期发展的关键。”

当然,随着我们持续的发展,对反应堆的要求不仅仅是更高的安全性,也包括它的经济性和可持续性,裂变核能的发展终将进入第四代核反应堆时代。

在林俊看来,核能技术的研发、创新是一项系统工程,需要许多专业人员共同协作、长期攻关。他所在的钍基熔盐堆核能系统研究团队有700多人,都在为同一个目标而努力。

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“能够参加这种‘大兵团’作战的项目是幸运的,在这里,我们每个人不再是单独的个体,而是整个团队相互协作、耦合,产生‘1+1远大于2’的效果,这是在小规模课题组里没法体会的”,林俊说。他认为,这也得益于国家科学技术评价体系的转变:改变过去以发论文为英雄的导向,转为以目标和问题为导向,给科研人员更多的试错空间,鼓励科研人员不断地进行技术创新。

今天,在国际上公认有六种第四代裂变核反应堆型:超高温堆、超临界水堆、气冷快堆、铅冷快堆、钠冷快堆以及熔盐堆。

林俊今年40岁,他说,“生于1978年”对他们这一代人来说,有着特别的意义,“与改革开放同龄,既迎接着挑战,也面临着机会,我们在学校学习了知识,在工作中积累了经验,现在又遇到国家对科技创新如此重视和支持,可以说我们遇到了好时代。”他近期的小目标就是,带领团队攻克钍基核燃料的研发和工程难题,以助如期建成钍基熔盐实验堆。

这六种堆形最大的区别,就是它们采用的冷却剂不同。熔盐堆作为其中的一种,采用熔盐作为冷却剂,它的特点包括在常压和高温下面能够实现发电、高温制氢以及核废料少。所以熔盐堆近年来在国际上,受到了越来越广泛的关注。

今天和大家分享的就是“钍基熔盐堆”。

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那么钍基熔盐堆的钍基是什么概念?顾名思义钍基熔盐堆是希望把“钍”1]作为核燃料来燃烧,来利用它的能量。

为什么要选择钍基?我们看一组数据,1000克的钍裂变产生的能量相当于3500吨标准煤燃烧产生的热量,美国科学家正在开发用钍作为核燃料发电的汽车,如果研发成功的话,只需要八克钍就可以让一辆悍马车开96万公里,中途不需要再加燃料。由此可见,钍的燃效是非常高的。

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中国是个“贫铀富钍”的国家,目前我国已经探明的钍储量处于世界第二位,钍资源非常丰富。

再有一点,钍如果作为核燃料的话,具有增殖易、废料少、扩散难等一系列的优点。诺贝尔物理学奖获得者,卡罗·卢比亚曾经说过,不同于其它的能源资源,中国钍的储量很高,能够保证未来许多个世纪的供应。

大家没有听错,是许多个世纪。

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