核燃料、沙灘與電力:印度的長遠核能計劃

The tropical beaches of India Image copyright Getty Images

一說起印度的熱帶海灘,人們可能會聯想到陽光斑駁的棕櫚樹,口感辛辣的魚肉咖喱以及蓄著「長髮綹」的背包客。其實,海灘上還藏著一個秘密: 沙子裏含有豐富的釷。科學家認為,相較於傳統核燃料,釷更為清潔、也更加安全。

據估計,印度的釷礦儲量達30萬至85萬噸,有可能是世界上釷礦儲量最多的國家。長期以來,印度一直汲汲於釷礦開採,但卻進展甚緩。 如今核能技術再成焦點,印度的釷礦開採事業也重新回到了人們的視野中: 去年,荷蘭科學家啟動了幾十年來首個釷反應堆實驗項目;新興企業開始在西方國家推廣該技術;去年中國承諾,將投資33億美元用於開發釷燃料核能反應堆。

有支持者稱,相較於傳統核原料,釷不僅是能夠實現零碳排放,還能夠減少有害核廢料的產生,降低反應堆熔化風險。同時,釷要應用於核武器也比較困難。 雖然可再生能源領域科技發展迅速,但核能開發花費高昂,核能發電廠的安全指數以及核廢料的清潔度也未可知。因此,核能的商業化道路依舊迷霧重重。

為了獲得可觀的穩定能源,開發釷礦是印度的必由之路,這是由其獨特的歷史和地理因素決定的。雖然有人認為希望渺茫,(大規模開發釷能)不切實際,但印度人口可能在2060年突破17億大關,因此印度核能科學家認為,開發釷礦用於核能有利於保障國家能源安全,實現零碳排放。

「印度高度重視能源資源,」印度原子能部(DAE)前部長班納裏(Srikumar Banerjee)表示, 「我國佔世界人口比例的五分之一,要實現可持續發展只能依靠本土的能源資源。」

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Image caption 印度正投入巨資以研發核工程項目,包括圖中的四座重水反應堆,位於印度南部卡納塔卡邦境內的凱加核電廠。

部分出於地緣政治的考量,如今的商業核電站都以鈾為燃料。 西方國家的核能發展與原子彈的關係密不可分,這是由於鈾的副產品很容易發展為核武器。劍橋大學核工程師帕克斯(Geoff Parks)說: 「不同的時代,人們對於核燃料的選擇可能有所不同。上世紀50年代冷戰剛開始的時候,人們沒有選用釷做核燃料,最終拖到了如今的和平年代。」

與西方國家不同,印度的鈾礦儲量微薄,因此在開發核能領域,走上了不同的道路。 印度核工程創始人巴巴(Homi Bhabha)堅信,印度要發展長期戰略,就必須開發其豐富的釷礦資源。印度核能政策核心的「三階戰略」,也是出於這一點的考量。

原子裂變會釋放巨大的核能,可以用來發電,而釷不會自發裂變。自然狀態下的釷,衰變週期十分長,衰變時釋放的阿爾法射線甚至無法穿透人類皮膚表層,因此度假的人們大可不必擔憂在富含釷元素的海灘上曬日光浴會有害健康。

要將釷用於核領域,就要額外加入如釙等能夠自發裂變、釋放中子的元素。釷原子捕獲中子後,會裂變為鈾-233。鈾-233是鈾的同位素之一。(質子數相同,中子數不同的同種元素互為同位素。)

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Image caption 福島核洩露事故對於很多後來的核能項目來說都是難以跨越的陰影。但支持釷核能的人士稱,用釷發電可以大大降低反應堆堆芯融毀的風險。

2015年,辛哈(Ratan Kumar Sinha)接任巴納裏,成為DAE部長。他說: 「釷跟濕木材是一樣的。」他解釋說, 濕木材不易點燃,但只要放在用幹柴燃燒的火爐,濕木材也能燃燒。 因此印度「三階戰略」的前兩步,就是要研究如何將其儲量豐富的釷變成可以點燃的燃料。

釷反應堆技術的第一步是利用傳統的鈾燃料反應堆產生的副產品鈈。然後,將生成的鈈投入快中子增殖反應堆中,與更多鈾進行反應,產生更多的鈈。這一步驟的目的是為了得到更多中子,中子達到一定數目後,就能夠轟擊釷,讓釷裂變為鈾-233。釷反應的最後一個步驟是把鈾-233投入釷中。隨後,熱中子增殖堆便立即啟動了,以後只需添加釷礦,核反應堆就能一直維持正常工作狀態。

要實現巴巴的遠大規劃,可以說是困難重重。西方國家青睞鈾為核燃料,因此印度可以說是一意孤行。此前印度一直在開發核武器,加之其拒絶在《核不擴散條約》上籤字,幾十年來,印度一直被各國孤立,不與其進行核科技交流和核燃料貿易。

辛哈表示,2008年印度與美國簽訂了民用核能協議後,上述障礙已不復存在,印度核能發展應該會越來越快。上世紀七十年代印度成功研發鈾驅動的加壓重水反應堆(PHWR)後,研發就一直停留在第二階段,許多年來都沒有進展。1985年設計的一款反應增殖堆,到現在為止都沒有達到預設的40兆瓦發電量。而預計於今年研發完成的500兆瓦快速增殖反應堆(PFBR),原本在2010年就要投入生產,如今看來也是遙遙無期。

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Image caption 印度的核能發展前景依舊頗具爭議,支持者稱印度要擺脫化石燃料,只能依靠核能。

巴納裏稱,核能項目擴張之前,印度還需要積累大量的運行經驗。此外,釷燃料的轉化增殖也需要一定的時間——大概在十年左右,這是因為要建造第二座反應堆,鈈的產量就要翻一翻。而如果燃料是釷,週期則會更加漫長。這也就不難解釋為什麼在用釷進行裂變釋能之前,科學家要用鈈事先構建起一個過渡的紐帶。而如何從釷的反應殘渣中提取鈾-233,是科學家亟待解決的又一難題:燃料的轉換循環過程中產生的另一副產品鈾-232會釋放放射性很強的伽馬射線。

巴巴原子研究中心(BARC)的研究人員已成功進行過這一燃料轉過程的試驗,但大規模應用起來仍然存在問題,第一,必須建立起強輻射防護裝置;第二,必須研發出較為複雜的機器人系統,使得工人可以隔離輻射。

印度第一座用釷作燃料的核能反應堆——先進重水反應堆(AHWR)目前已經設計完成。 但當務之急並不是開土動工,設計負責人辛哈強調說,AHWR更多的是為燃料轉換循環提供實踐經驗,並示範其安全性。設計完成並不代表釷核能計劃已邁入第三階段,因為現階段裂變原料仍然需要人為補充,及獲取燃料循環的經驗和安全新措施。

最終的第三階段反應堆將是可自我運行的熱增殖堆,先投入鈾-233和釷做啟動,其後只需補充天然釷做燃料就可一直運作下去。至於如何設計出這樣一個反應堆,目前還沒有人知道。但人們已經達成共識,反應堆使用熔鹽混合物同時作燃料和冷卻介質,為最理想的方案。這一構思在中國和西方國家有著諸多擁護者;而印度已經將其推進到前期研發的階段。

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Image caption 喀拉拉邦的美麗海灘所蘊藏的釷儲量為印度的總儲量之16%,如果開發得當,釷將成為印度主要的供能燃料之一。

但印度核電站承認,至少到本世紀50年代,印度都不可能利用釷提供大量的能源。但也有人持樂觀態度。拉瑪納(M. V. Ramana)教授任職於加拿大不列顛哥倫比亞大學,出版過一本書介紹印度的核政策,他說:「70年來印度一直在談論釷的開發,我認為在可以預見的未來,這個話題的熱度不會褪去。」

他說,人們已經對傳統核能的經濟效益產生了懷疑。沒人會去砸錢支持開發什麼兼容釷的反應堆、混合燃料再處理等等。支持者都說釷核項目功在千秋,拉瑪納則認為是言過其實了。釷核的安全性常常被人們提及,這是由於釷反應堆不容易發生堆芯融毀的核洩漏事件; 但拉瑪納稱,除非與真實反應堆規模等同的模擬試驗證明有效,一切理論推斷都不作數。他補充道:「在切爾諾貝核電廠爆炸,福島核洩漏發生之前,我們都覺得不會出這樣的事故。」

雖然短期內,釷裂變產生的鈾-232比較危險,但其輻射的類型和強度會隨著時間的推移而減弱,特別是在與其他同位素混合之後。帕克斯稱,長期看來,釷確實更容易儲存,釷核廢料也更容易處理。但由於目前尚未找到鈾-232的處理辦法,開發釷核無疑是撿芝麻丟西瓜。他說,釷核最大優勢在於其難以應用於核武器領域。雖然鈾-233可以用來造原子彈,但(要把鈾-232轉為鈾-233,)過程繁瑣複雜,十分雞肋。

新德里尼赫魯大學的物理學教授拉賈拉曼(Ramamurti Rajaraman)說,印度核計劃的推進同這些益處並無關係。他說:「其一部分是來源於我們體制的自豪感。」核電站長期以來都是印度國家旗艦工程,印度不會輕言放棄。更重要的是,如今在解除對印度的核孤立後,巴巴的核能自給自足理論仍然公信力十足。

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Image caption 泰米爾納德邦的社會活動家表演活埋自己,以抗議政府建造鈾反應堆。 而活埋用的沙子裏則含有釷礦這種更為安全的核燃料。

在減少煤炭使用量的同時,印度也在盡量滿足經濟日益增長的能源需求。

印度原子能委員會現任成員,DAE前部長卡可德卡(Anil Kakodkar)說,毫無疑問,可再生能源是印度解決能源短缺問題的一大途徑。預計到2022年,印度可再生能源發電總量可達175吉咖瓦(1吉咖=109); 目前,印度的風能發電總量已居世界第4,太陽能發電量居世界第5。只可惜風能和太陽能不能作為整個國家持久的供電能源。他說:「除化石能源外,核能是能保證大型基底負荷發電的唯一選擇。印度的國情也決定了,基本上我們就得選用釷作為核燃料。」

為保證能源安全能源必須自給自足這一論述有待商榷。巴巴制定印度核能戰略時,人們低估了全球鈾礦的儲量,認為快速的核能擴張會導致鈾礦緊缺。但自20世紀90年代以來,全球核能發電一直處於下降趨勢,鈾礦的儲量也遠超過人類預期。

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Image caption 開發核電項目外,印度還大力投資了其他可再生能源,如位於泰米爾納德邦的普尼亞瓦蘭樸蘭風力渦輪機等。

英國開放大學專攻能源政策的納托爾教授(William Nuttall)說,從歷史角度出發,不難理解印度為什麼對釷礦如此執著。只是鈾資源在短期內並不會枯竭殆盡,國際市場供應穩定,因此能源安全不成問題。即使不使用核能,還有其他能源選擇,也可以實現零碳排放。他表示:「使用核能,確實是因為它有助於緩解氣候變暖、捍衛能源安全,但也沒有那麼顯而易見的效果。」

印度並沒有把雞蛋都放在一個籃子裏。 在發展風能和太陽能之餘,政府還新批准建設12座重水反應堆,目前已經投入運營的有22座,正在建設中的已有9座。此外,印度還在集思廣益,尋求俄羅斯、法國和美國的反應堆設計方案。 但帕克斯認為,結合目前所取得的進展而言,印度選擇釷作為其長期保險戰略有其道理。他說:「印度制定了自己的長遠計劃,一直都沒有放棄。這一點是值得肯定的。相反地,英國(沒有自己的打算)應該受到指責。」

至於釷在發達國家的研究前景,連印度的核科學家們都深表懷疑。 卡可德卡說,發達國家的能源消費已無多大發展空間,而且其鈾核能發電技術也已經基本完善,因此沒有理由突然轉向發展釷核技術。他認為,在發展中國家,經濟正在起飛,能源消耗量與日俱增,釷礦儲量豐富,抗核武器擴散能力強,因此釷能發電是印度這類國家零碳排放的基本負荷發電廠的不二選擇。

他補充說:「如果要把無碳能源推而廣之,沒有核能是做不到的。而核能的進一步發展,沒有釷也是做不到的。因此總有人得領頭,率先開發這一未來的核燃料釷。」

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