第五代核電的技術(shù)要求

林溪石團(tuán)隊(duì)總結(jié)了各位專家的意見(jiàn)后認(rèn)為第五代核電應(yīng)滿足以下基本要求：①單體發(fā)電量應(yīng)在2GW以上;②零排放;③無(wú)輻射，五代核電廠中心距離在5km范圍內(nèi)用靈敏的輻射儀器探測(cè)，不會(huì)測(cè)量出高于本底的β射線和倫琴射線(即X射線)，用1mm厚的鈹合金簡(jiǎn)易屏蔽，基本上測(cè)不出中子流，五代核電廠無(wú)須依賴大的冷卻水源，可建設(shè)于內(nèi)陸上任何地方;④不會(huì)產(chǎn)生核廢料;⑤核燃料是一種提取極為簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉的可再生能源，足夠人類世世代代使用;⑥第五代核電可以在常溫中啟動(dòng)運(yùn)行，采用間歇性送料、連續(xù)輸出的運(yùn)行方式。

第五代核電方案設(shè)想

第四代以前的核電都是裂變式核電站，由于聚變核電站迄今還沒(méi)研發(fā)成功，所以稱之為第五代核電。自然界中有兩種核能，一種是裂變，由一種重金屬原子在中子的轟擊下產(chǎn)生鏈?zhǔn)搅炎儚亩尫懦龃罅康哪芰?，裂變核反?yīng)的優(yōu)點(diǎn)是不產(chǎn)生CO2和SO2的排放，是一種清潔能源。裂變能的另一優(yōu)點(diǎn)是容易點(diǎn)火和維持反應(yīng)。目前世界上絕大多數(shù)的核電站、核動(dòng)力艦船都是利用核裂變的原理做成的，其應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟。但核裂變的缺點(diǎn)也很嚴(yán)重，它在反應(yīng)的同時(shí)釋放出大量的有害輻射，而這些輻射很容易造成二次核污染;同時(shí)，核裂變反應(yīng)堆也容易出現(xiàn)事故，且事故影響范圍大，污染周期長(zhǎng)(如前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站和日本福島核電站的事故)。

另外，核裂變的燃燒廢物也存在強(qiáng)烈的核輻射，很難處理，其半衰期達(dá)千年之久。由于核裂變存在嚴(yán)重的缺點(diǎn)，所以也限制了它的使用范圍，核裂變反應(yīng)堆往往需要笨重的防護(hù)裝置，這些裝置不但體積和重量大，同時(shí)核裂變的主要燃料是鈾，而這種礦物質(zhì)在地球上的儲(chǔ)量有限，所以核裂變不是一種可再生能源。

自然界另外一種核能是聚變能，它的原理是由兩個(gè)輕原子(氘、氚)聚變成為一種較重的原子(氦)，從而產(chǎn)生大量的能量，核聚變?cè)谌剂象w積重量相同的情況下，所釋放的能量比核裂變大數(shù)倍，核聚變最大的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有輻射，它反應(yīng)時(shí)不會(huì)釋放出β射線和倫琴射線，但是能釋放出微弱的中子流，這種中子流比較容易防護(hù)，如用一定厚度的木材、金屬材料即可隔絕，其中用鈹金屬隔離最有效，厚度很薄的鈹合金板可以完全隔絕微弱中子流的穿透。

總的來(lái)說(shuō)，核聚變反應(yīng)堆的防護(hù)措施是很簡(jiǎn)單有效的。核聚變使用燃料主要是氘，這種元素大量存在于海水中，普通海水的含氘量約為1/6000，1L海水能提煉出的氘反應(yīng)后產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300L汽油的燃燒熱。另外，太陽(yáng)除了發(fā)出光和熱，還以太陽(yáng)風(fēng)的形式向宇宙釋放出數(shù)量不等的氘原子，以宇宙塵埃的形式在太陽(yáng)系中散發(fā)出來(lái)，由于地球和月球離太陽(yáng)較近，散發(fā)到地球和月球的太陽(yáng)風(fēng)較多，而散落在地球上的氘原子大部分落在海里，散落在陸地上的氘原子也會(huì)經(jīng)過(guò)雨水和河流的搬遷作用匯入大海，也就是說(shuō)落入大海的氘原子是源源不斷的，而太陽(yáng)系已存在數(shù)十億年，日積月累存在海水中的氘原子數(shù)量相當(dāng)浩大，足夠人類世世代代使用，而太陽(yáng)風(fēng)仍在不斷補(bǔ)充，所以核聚變是一種可再生能源。

核聚變的點(diǎn)火條件是當(dāng)兩個(gè)氘原子的距離靠近飛米級(jí)時(shí)會(huì)發(fā)生核聚變反應(yīng)(1飛米(fm)=0.000001納米(nm))，形成一個(gè)較重的原子氦，同時(shí)釋放大量能量，想要達(dá)到這種條件，要求環(huán)境溫度高達(dá)幾千萬(wàn)甚至上億攝氏度，或者施加上百萬(wàn)兆帕的壓力才能達(dá)到，這在地球環(huán)境中暫時(shí)難以實(shí)現(xiàn)，為此科學(xué)家們想出各種方法，其中一種是使用多束大型激光同時(shí)照射氘丸，使其局部溫度瞬間達(dá)到上億攝氏度，從而實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)，這種方法叫做慣性約束。

另一種方法是用強(qiáng)大的電流注入線圈形成環(huán)形磁場(chǎng)，將氘原子注入磁場(chǎng)內(nèi)使之進(jìn)入懸浮狀態(tài)，利用中子流轟擊氘原子使其溫度上升接近1億℃，直至聚變反應(yīng)，這種方法叫做磁約束，也叫托卡馬克裝置。托卡馬克裝置是前蘇聯(lián)莫斯科庫(kù)爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀(jì)50年代末發(fā)明的，后來(lái)世界各國(guó)的科學(xué)家們也紛紛利用這種原理來(lái)實(shí)現(xiàn)核聚變，目前法國(guó)正在籌建的國(guó)際合作核聚變實(shí)驗(yàn)裝置ITER也是這種裝置。以上兩種方法存在很多難題無(wú)法解決，需要繼續(xù)完善，如燃料的注入問(wèn)題、核能的輸出問(wèn)題、裝置的穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題等。迄今為止，聚變核電站還沒(méi)有成功，國(guó)際上的專家們普遍認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電還需要世界各國(guó)的科學(xué)家們共同努力50年以上。

能否運(yùn)用巧妙的方法盡早實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電方案呢?答案是肯定的。林溪石團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)研究認(rèn)為有個(gè)初步方案能夠?qū)崿F(xiàn)聚變發(fā)電，這個(gè)方案的名稱叫做多層殼約束微當(dāng)量重水燃燒彈聚變核電站。初步設(shè)想是制造一個(gè)直徑50m高50m的鋼筋混凝土外殼，外殼的內(nèi)部由多層構(gòu)成。第一層傳熱層，由耐高溫的鋼合金構(gòu)成;第二層換熱層，由低熔點(diǎn)金屬材料構(gòu)成;第三層隔熱層，由耐火材料構(gòu)成;第四層持力層，由一定厚度的鋼筋混凝土構(gòu)成。當(dāng)在殼體的中心位置引爆一顆微當(dāng)量重水燃燒彈時(shí)(約80tTNT當(dāng)量)，殼體內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)高達(dá)1500℃的溫度及2000MPa的壓力，此時(shí)殼體的導(dǎo)熱層會(huì)將熱量逐步傳遞給換熱層，換熱層的液體金屬在高壓泵的作用下逐步循環(huán)散熱，同時(shí)將熱量傳遞給設(shè)置在殼體周邊的高壓蒸汽鍋爐，從而將能量傳遞出去，通過(guò)蒸汽輪機(jī)發(fā)電，電力經(jīng)過(guò)并網(wǎng)輸入電網(wǎng)完成發(fā)電任務(wù)。

隔熱層的作用是將換熱層高達(dá)500℃左右的溫度隔絕，使高溫不會(huì)傳遞給鋼筋混凝土磁力層，保護(hù)磁力層不受損害。多層殼約束微當(dāng)量的核心技術(shù)是制造微當(dāng)量小型重水燃燒彈，國(guó)際上習(xí)慣稱1000tTNT當(dāng)量以下的重水燃燒彈為小當(dāng)量，少于100tTNT當(dāng)量的重水燃燒彈為微當(dāng)量，小當(dāng)量、微當(dāng)量的重水燃燒彈在軍事上用途很廣泛，陸軍可用于裝填遠(yuǎn)程火箭炮，海軍可用于打擊大型水面艦艇及反潛，空軍可用于摧毀敵方的大型機(jī)場(chǎng)和機(jī)庫(kù)。重水燃燒彈的微型化是世界各國(guó)軍事科研部門(mén)一直在研究的項(xiàng)目，如美軍已大量裝備了這種武器。

微型重水燃燒彈由于當(dāng)量小，破壞范圍不廣，不屬于大規(guī)模殺傷武器，所以并沒(méi)有遭到世界各國(guó)的譴責(zé)而限制其發(fā)展。重水燃燒彈當(dāng)量的大小可以通過(guò)調(diào)整原料DO2的數(shù)量和豐度來(lái)實(shí)現(xiàn)，但需要通過(guò)大量試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，這種試驗(yàn)不僅周期長(zhǎng)且需要投入一大筆經(jīng)費(fèi)，不是一般小國(guó)家能夠承擔(dān)的。聚變核電站使用的氘丸就是利用軍事上小、微當(dāng)量的重水燃燒彈來(lái)實(shí)現(xiàn)的，無(wú)須另外投入研發(fā)費(fèi)用，屬于軍民融合項(xiàng)目。

微當(dāng)量重水燃燒彈的發(fā)射裝置是一種管狀發(fā)射器，其原理相當(dāng)于加農(nóng)滑膛炮，利用彈丸的高射速來(lái)穩(wěn)定出炮口的彈道，彈丸的發(fā)射間隔為每5min一發(fā)，發(fā)射間隔時(shí)間裝定及彈丸的裝填可用程序控制，自動(dòng)完成，在離炮口25m的距離位置上爆炸，時(shí)間引進(jìn)可利用現(xiàn)代數(shù)碼雷管技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)在線裝定。現(xiàn)代數(shù)碼雷管技術(shù)的定時(shí)很準(zhǔn)確，可精確到微秒級(jí)，數(shù)碼雷管和核點(diǎn)火雷管是一體化的，只要軍方立項(xiàng)，一般雷管廠可以完成研發(fā)任務(wù)。

第五代核電的開(kāi)發(fā)計(jì)劃建議

第五代核電的研發(fā)周期大約需要5年左右的時(shí)間，整體造價(jià)不會(huì)很高，可控制在每座100億人民幣左右，建議國(guó)家發(fā)改委將發(fā)展第五代核電的項(xiàng)目列入國(guó)家第十四個(gè)五年計(jì)劃，同時(shí)建議科技部將第五代核電的科研計(jì)劃作為重大專項(xiàng)立項(xiàng)，組織有關(guān)科研部門(mén)、軍工企業(yè)及有關(guān)能源部門(mén)共同完成。第五代核電是一項(xiàng)造福全人類的顛覆性能源革命，其影響力不亞于18世紀(jì)蒸汽機(jī)的發(fā)明和20世紀(jì)的原子彈發(fā)明，它將一勞永逸地解決人類的清潔能源問(wèn)題，五代核電也是最尖端的科學(xué)技術(shù)，誰(shuí)掌握此項(xiàng)技術(shù)，誰(shuí)就掌控能源科學(xué)的制高點(diǎn)，希望國(guó)家有關(guān)部門(mén)和領(lǐng)導(dǎo)能夠重視。

此項(xiàng)目的起步階段需要的人力和經(jīng)費(fèi)并不高，如研發(fā)成功的微當(dāng)量重水燃燒彈，它是整個(gè)項(xiàng)目的核心，重水燃燒彈使用數(shù)碼核雷管來(lái)點(diǎn)燃，數(shù)碼核雷管由于涉核及有軍事用途，需要軍事部門(mén)向軍工單位下達(dá)任務(wù)才能進(jìn)行。第五代核電一旦研發(fā)成功，可逐步將我國(guó)260多個(gè)大型燃煤發(fā)電廠更換成五代核電廠，這將徹底解決我國(guó)能源長(zhǎng)期對(duì)煤炭和石油的依賴，同時(shí)創(chuàng)造出一個(gè)數(shù)萬(wàn)億人民幣產(chǎn)值的新型行業(yè)。