核能对解决气候变化问题是否至关重要?

Gilles Georges, Vice President Content Operations, CAS
photo showing nuclear power plant stacks

虽然作为全球能源结构中增长最快的部分,绿色能源的足迹继续增加,但由于效率和容量障碍,仍然明显落后于传统的高碳能源选择。 这些限制阻碍了绿色能源成为主导的主流能源选择。 在绿色能源实现大规模使用之前,还有什么其他可扩展的、非二氧化碳排放的能源可以帮助我们缩小这一差距? 核能的无碳特性、经证明的有效性和可扩展性能否使其成为一种过渡候选能源,并可能成为另一种可行的、被广泛接受的未来能源选择?

除了零排放的规划,目前约 450 座核电站的满负荷运行时间超过 90%,而燃煤电厂和太阳能电厂的满负荷运行时间分别为 50% 和 25%。 然而,全世界只有 10% 的电力需求是由核电站提供的(图 1)。 为什么这些年核能发展速度并没有加快?

显示 2021 年电力生产来源的图表
图 1. 截至 2021 年的电力生产份额。

尽管已经证明,核能是一种经济的能源生产选择,但由于与放射性相关的风险及其对环境的影响,核能仍然颇具争议性。 切尔诺贝利和福岛事件提醒我们,原子裂变需要完美的控制和警惕,小事件可能会演变成大灾难。

核反应和放射性

核反应堆技术拥有 18,000 多个反应堆经验,该技术成熟、多样化,并受益于数十年的技术改进,使反应堆更安全、更可靠、更耐用、更高效。

为了发电,核电站使用铀同位素的混合物,主要由 238U 和 235U 作为燃料。大多数商用核电厂使用低浓缩铀 (LEU) 燃料,即 235U 浓度在 3-5% 之间的铀,而高浓缩铀 (HEU) 的 235U 浓度约为武器级应用所需的 90%。  

铀浓缩反应图解
图 2. 铀浓缩——铀 235 同位素浓度从 0.3% 上升到 3%。

235U 和 238U 一旦作为 LEU 燃料进入反应堆,就会采取两种不同的原子转化途径,如图 3 所示。通过捕捉中子,在 238U 转化为可裂变的 239Pu 的情况下,239Pu 和 235U 都会裂变成更小的核,即裂变产物。 每一个裂变反应也会以热和电离辐射的形式释放三个中子和大量能量。

核裂变反应的图解
图 3. 核燃料裂变反应。

这种原子的转变或衰变是福也是祸。 所谓福,是因为相对于所涉及的少量燃料而言,它会产生大量的能量,这些能量将通过热交换器和高压水轮机来发电。 所谓祸,是因为与嬗变相关的原子衰变也会产生电离辐射和粒子,统称为放射性。 为了发电,反应堆中的放射性是需要的,但这种放射性在被称为“乏燃料”的燃料废物中持续存在,如果不加以控制,可能有害。

在反应堆中连续进行 3-5 年的核活动后,可裂变同位素的燃料浓度最终会降到最低水平以下,以维持电力生产的链式反应。 乏燃料从反应堆中卸下,被归类为“高水平”放射性废物 (HLW)。 HLW 只占放射性废物总量的 3%,但却占废物总放射性的 95%。 因此,HLW 是全球放射性废物管理战略中的一个主要焦点。   

平均容量为 1000 MWe(足以满足 100 多万人需求)的核电站每年产生 25-30 吨 HLW,零碳排放。 一家燃煤电厂每年向大气中释放 30 万吨煤灰和 600 多万吨二氧化碳。 然而,通过对乏燃料的再加工和再利用来减少核废料的足迹和放射性,将解决一项复杂的危险废物管理挑战。

核乏燃料回收方案

核乏燃料再处理技术自 20 世纪 40 年代末便已存在。 这一技术很容易理解且已在技术上经过证明,但只有少数国家投资于再处理。 法国和俄罗斯是对乏燃料进行再处理和再利用的两个主要国家。 平均而言,大约 95% 的乏燃料废物是铀(大部分是 238U),1% 为钚,其余是各种各样的裂变产物,这些产物具有较低的原子序数和次锕系元素(图 4)。 乏燃料再处理技术允许从其他锕系元素和裂变产物中分离铀和钚同位素。  

PUREX 核分离过程图解
图 4. PUREX 将乏燃料分为三相。


主要的再处理选项称为 PUREX(钚和铀还原提取)。 PUREX 使用湿法冶金分离技术将乏燃料分离为三相:

  1. 铀同位素
  2. 钚同位素
  3. 带有次锕系元素的裂变产物

第三相被认为是 HLW,因为存在这些次锕系元素和高放射性、中等寿命的裂变产物(即放射性半衰期约为 30 年的 90Sr 和 137Cs)。 PUREX 的主要优点是回收了大量的可用铀,而这些铀在其他情况下被认为是废物,并显著减少了 HLW 的量。

虽然 PUREX 减少了废物量,但并没有解决其放射性问题。 此外,239Pu 与其他锕系元素分离会引发对核武器扩散的担忧。

PUREX 工艺变体已经在世界各地提出并实施,以解决 HLW 的放射性和钚扩散风险。 这些 PUREX 变体包括混合 239Pu 与次锕系元素,可防止被武器化,同时创造可接受的再处理锕系元素混合燃料。 其他变体包括混合铀、钚和所有超铀元素(比铀的原子序数更高的元素),使裂变产物成为唯一的废物。

考虑到 90% 以上的铀在从反应堆中卸下乏燃料棒时是“未燃烧”的,回收 HLW 很有必要。 回收未使用的铀和钚可以多产生约 25-30% 的电力。 截至 2020 年底,全球从商用核电反应堆中产生了 40 万吨废旧燃料,其中约 12 万吨 (30%) 被重新处理并用作核燃料。  


核反应堆设计的进展

核反应堆设计的最新进展提高了能源生产的效率和安全性。 CAS 内容合集™显示,自 2018 年以来,专利和期刊活动显著增加,这表明兴趣重新燃起,这主要是由亚洲的组织推动(图 5a 和 5b)。  

核能技术的顶级专利权人
图 5a. 2000 年以来核能技术的顶级专利权人。
自 2000 年以来拥有最多核能期刊出版物的组织
图 5b. 自 2000 年以来在核能方面发表最多期刊的组织。


图 6 显示了与新的、先进的核反应堆设计相关的出版物数量。 这些数据证实,围绕这些新的核反应堆技术的研究活动正在增加。  

核反应堆设计类型出版物数量图表
图 6. 先进的核反应堆设计及其与出版物数量的关联

 

核能的未来潜力

核能的复兴一直是一个永恒的主题,但一些障碍和挑战仍然使核能难以实现几十年前萌生的希望和承诺。 巨额的前期资金、不断变化的监管规定、成本超支以及政治上的两极分化,使得核电站的交付经历了长达十年的曲折历程。 这严重阻碍了政府和投资者对核能的考虑,即使核能的优势和潜力已被证明且不可否认。 《华尔街日报》中的一篇文章同样也谈到了在核能技术领域存在的种种挑战及近期进展。

对无碳能源的需求、新反应堆技术的进展,以及新的乏燃料回收和再利用替代方案,都可能推动核能成为应对全球气候变化挑战的关键工具。



感谢 Elaine McWhirter 提供科学咨询。

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