核燃料、沙滩与电力:印度的长远核能计划

The tropical beaches of India Image copyright Getty Images

一说起印度的热带海滩,人们可能会联想到阳光斑驳的棕榈树,口感辛辣的鱼肉咖喱以及蓄着“长发绺”的背包客。其实,海滩上还藏着一个秘密: 沙子里含有丰富的钍。科学家认为,相较于传统核燃料,钍更为清洁、也更加安全。

据估计,印度的钍矿储量达30万至85万吨,有可能是世界上钍矿储量最多的国家。长期以来,印度一直汲汲于钍矿开采,但却进展甚缓。 如今核能技术再成焦点,印度的钍矿开采事业也重新回到了人们的视野中: 去年,荷兰科学家启动了几十年来首个钍反应堆实验项目;新兴企业开始在西方国家推广该技术;去年中国承诺,将投资33亿美元用于开发钍燃料核能反应堆。

有支持者称,相较于传统核原料,钍不仅是能够实现零碳排放,还能够减少有害核废料的产生,降低反应堆熔化风险。同时,钍要应用于核武器也比较困难。 虽然可再生能源领域科技发展迅速,但核能开发花费高昂,核能发电厂的安全指数以及核废料的清洁度也未可知。因此,核能的商业化道路依旧迷雾重重。

为了获得可观的稳定能源,开发钍矿是印度的必由之路,这是由其独特的历史和地理因素决定的。虽然有人认为希望渺茫,(大规模开发钍能)不切实际,但印度人口可能在2060年突破17亿大关,因此印度核能科学家认为,开发钍矿用于核能有利于保障国家能源安全,实现零碳排放。

“印度高度重视能源资源,”印度原子能部(DAE)前部长班纳里(Srikumar Banerjee)表示, “我国占世界人口比例的五分之一,要实现可持续发展只能依靠本土的能源资源。”

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Image caption 印度正投入巨资以研发核工程项目,包括图中的四座重水反应堆,位于印度南部卡纳塔卡邦境内的凯加核电厂。

部分出于地缘政治的考量,如今的商业核电站都以铀为燃料。 西方国家的核能发展与原子弹的关系密不可分,这是由于铀的副产品很容易发展为核武器。剑桥大学核工程师帕克斯(Geoff Parks)说: “不同的时代,人们对于核燃料的选择可能有所不同。上世纪50年代冷战刚开始的时候,人们没有选用钍做核燃料,最终拖到了如今的和平年代。”

与西方国家不同,印度的铀矿储量微薄,因此在开发核能领域,走上了不同的道路。 印度核工程创始人巴巴(Homi Bhabha)坚信,印度要发展长期战略,就必须开发其丰富的钍矿资源。印度核能政策核心的“三阶战略”,也是出于这一点的考量。

原子裂变会释放巨大的核能,可以用来发电,而钍不会自发裂变。自然状态下的钍,衰变周期十分长,衰变时释放的阿尔法射线甚至无法穿透人类皮肤表层,因此度假的人们大可不必担忧在富含钍元素的海滩上晒日光浴会有害健康。

要将钍用于核领域,就要额外加入如钋等能够自发裂变、释放中子的元素。钍原子捕获中子后,会裂变为铀-233。铀-233是铀的同位素之一。(质子数相同,中子数不同的同种元素互为同位素。)

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Image caption 福岛核泄露事故对于很多后来的核能项目来说都是难以跨越的阴影。但支持钍核能的人士称,用钍发电可以大大降低反应堆堆芯融毁的风险。

2015年,辛哈(Ratan Kumar Sinha)接任巴纳里,成为DAE部长。他说: “钍跟湿木材是一样的。”他解释说, 湿木材不易点燃,但只要放在用干柴燃烧的火炉,湿木材也能燃烧。 因此印度“三阶战略”的前两步,就是要研究如何将其储量丰富的钍变成可以点燃的燃料。

钍反应堆技术的第一步是利用传统的铀燃料反应堆产生的副产品钚。然后,将生成的钚投入快中子增殖反应堆中,与更多铀进行反应,产生更多的钚。这一步骤的目的是为了得到更多中子,中子达到一定数目后,就能够轰击钍,让钍裂变为铀-233。钍反应的最后一个步骤是把铀-233投入钍中。随后,热中子增殖堆便立即启动了,以后只需添加钍矿,核反应堆就能一直维持正常工作状态。

要实现巴巴的远大规划,可以说是困难重重。西方国家青睐铀为核燃料,因此印度可以说是一意孤行。此前印度一直在开发核武器,加之其拒绝在《核不扩散条约》上签字,几十年来,印度一直被各国孤立,不与其进行核科技交流和核燃料贸易。

辛哈表示,2008年印度与美国签订了民用核能协议后,上述障碍已不复存在,印度核能发展应该会越来越快。上世纪七十年代印度成功研发铀驱动的加压重水反应堆(PHWR)后,研发就一直停留在第二阶段,许多年来都没有进展。1985年设计的一款反应增殖堆,到现在为止都没有达到预设的40兆瓦发电量。而预计于今年研发完成的500兆瓦快速增殖反应堆(PFBR),原本在2010年就要投入生产,如今看来也是遥遥无期。

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Image caption 印度的核能发展前景依旧颇具争议,支持者称印度要摆脱化石燃料,只能依靠核能。

巴纳里称,核能项目扩张之前,印度还需要积累大量的运行经验。此外,钍燃料的转化增殖也需要一定的时间——大概在十年左右,这是因为要建造第二座反应堆,钚的产量就要翻一翻。而如果燃料是钍,周期则会更加漫长。这也就不难解释为什么在用钍进行裂变释能之前,科学家要用钚事先构建起一个过渡的纽带。而如何从钍的反应残渣中提取铀-233,是科学家亟待解决的又一难题:燃料的转换循环过程中产生的另一副产品铀-232会释放放射性很强的伽马射线。

巴巴原子研究中心(BARC)的研究人员已成功进行过这一燃料转过程的试验,但大规模应用起来仍然存在问题,第一,必须建立起强辐射防护装置;第二,必须研发出较为复杂的机器人系统,使得工人可以隔离辐射。

印度第一座用钍作燃料的核能反应堆——先进重水反应堆(AHWR)目前已经设计完成。 但当务之急并不是开土动工,设计负责人辛哈强调说,AHWR更多的是为燃料转换循环提供实践经验,并示范其安全性。设计完成并不代表钍核能计划已迈入第三阶段,因为现阶段裂变原料仍然需要人为补充,及获取燃料循环的经验和安全新措施。

最终的第三阶段反应堆将是可自我运行的热增殖堆,先投入铀-233和钍做启动,其后只需补充天然钍做燃料就可一直运作下去。至于如何设计出这样一个反应堆,目前还没有人知道。但人们已经达成共识,反应堆使用熔盐混合物同时作燃料和冷却介质,为最理想的方案。这一构思在中国和西方国家有着诸多拥护者;而印度已经将其推进到前期研发的阶段。

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Image caption 喀拉拉邦的美丽海滩所蕴藏的钍储量为印度的总储量之16%,如果开发得当,钍将成为印度主要的供能燃料之一。

但印度核电站承认,至少到本世纪50年代,印度都不可能利用钍提供大量的能源。但也有人持乐观态度。拉玛纳(M. V. Ramana)教授任职于加拿大不列颠哥伦比亚大学,出版过一本书介绍印度的核政策,他说:“70年来印度一直在谈论钍的开发,我认为在可以预见的未来,这个话题的热度不会褪去。”

他说,人们已经对传统核能的经济效益产生了怀疑。没人会去砸钱支持开发什么兼容钍的反应堆、混合燃料再处理等等。支持者都说钍核项目功在千秋,拉玛纳则认为是言过其实了。钍核的安全性常常被人们提及,这是由于钍反应堆不容易发生堆芯融毁的核泄漏事件; 但拉玛纳称,除非与真实反应堆规模等同的模拟试验证明有效,一切理论推断都不作数。他补充道:“在切尔诺贝核电厂爆炸,福岛核泄漏发生之前,我们都觉得不会出这样的事故。”

虽然短期内,钍裂变产生的铀-232比较危险,但其辐射的类型和强度会随着时间的推移而减弱,特别是在与其他同位素混合之后。帕克斯称,长期看来,钍确实更容易储存,钍核废料也更容易处理。但由于目前尚未找到铀-232的处理办法,开发钍核无疑是捡芝麻丢西瓜。他说,钍核最大优势在于其难以应用于核武器领域。虽然铀-233可以用来造原子弹,但(要把铀-232转为铀-233,)过程繁琐复杂,十分鸡肋。

新德里尼赫鲁大学的物理学教授拉贾拉曼(Ramamurti Rajaraman)说,印度核计划的推进同这些益处并无关系。他说:“其一部分是来源于我们体制的自豪感。”核电站长期以来都是印度国家旗舰工程,印度不会轻言放弃。更重要的是,如今在解除对印度的核孤立后,巴巴的核能自给自足理论仍然公信力十足。

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Image caption 泰米尔纳德邦的社会活动家表演活埋自己,以抗议政府建造铀反应堆。 而活埋用的沙子里则含有钍矿这种更为安全的核燃料。

在减少煤炭使用量的同时,印度也在尽量满足经济日益增长的能源需求。

印度原子能委员会现任成员,DAE前部长卡可德卡(Anil Kakodkar)说,毫无疑问,可再生能源是印度解决能源短缺问题的一大途径。预计到2022年,印度可再生能源发电总量可达175吉咖瓦(1吉咖=109); 目前,印度的风能发电总量已居世界第4,太阳能发电量居世界第5。只可惜风能和太阳能不能作为整个国家持久的供电能源。他说:“除化石能源外,核能是能保证大型基底负荷发电的唯一选择。印度的国情也决定了,基本上我们就得选用钍作为核燃料。”

为保证能源安全能源必须自给自足这一论述有待商榷。巴巴制定印度核能战略时,人们低估了全球铀矿的储量,认为快速的核能扩张会导致铀矿紧缺。但自20世纪90年代以来,全球核能发电一直处于下降趋势,铀矿的储量也远超过人类预期。

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Image caption 开发核电项目外,印度还大力投资了其他可再生能源,如位于泰米尔纳德邦的普尼亚瓦兰朴兰风力涡轮机等。

英国开放大学专攻能源政策的纳托尔教授(William Nuttall)说,从历史角度出发,不难理解印度为什么对钍矿如此执着。只是铀资源在短期内并不会枯竭殆尽,国际市场供应稳定,因此能源安全不成问题。即使不使用核能,还有其他能源选择,也可以实现零碳排放。他表示:“使用核能,确实是因为它有助于缓解气候变暖、捍卫能源安全,但也没有那么显而易见的效果。”

印度并没有把鸡蛋都放在一个篮子里。 在发展风能和太阳能之余,政府还新批准建设12座重水反应堆,目前已经投入运营的有22座,正在建设中的已有9座。此外,印度还在集思广益,寻求俄罗斯、法国和美国的反应堆设计方案。 但帕克斯认为,结合目前所取得的进展而言,印度选择钍作为其长期保险战略有其道理。他说:“印度制定了自己的长远计划,一直都没有放弃。这一点是值得肯定的。相反地,英国(没有自己的打算)应该受到指责。”

至于钍在发达国家的研究前景,连印度的核科学家们都深表怀疑。 卡可德卡说,发达国家的能源消费已无多大发展空间,而且其铀核能发电技术也已经基本完善,因此没有理由突然转向发展钍核技术。他认为,在发展中国家,经济正在起飞,能源消耗量与日俱增,钍矿储量丰富,抗核武器扩散能力强,因此钍能发电是印度这类国家零碳排放的基本负荷发电厂的不二选择。

他补充说:“如果要把无碳能源推而广之,没有核能是做不到的。而核能的进一步发展,没有钍也是做不到的。因此总有人得领头,率先开发这一未来的核燃料钍。”

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