DOC《核科技信息》

核科技信息2007 第2期中国原子能科学研究院主办核科技信息(季刊: 1979年创刊) 2007年第2期(总第88期) 2007年6月30日出版 编辑者 《核科技信息》编辑部 (北京275信箱23分箱;

邮编:102413) 主编李金英 出版者 中国原子能科学研究院图书馆 印刷者 北京普瑞德印刷厂 (内部资料 免费交流) 北京市新闻出版局京内资准字1999-L0267 核科技信息2007年第2期 (总第88期)2007-06-30 目次・综 述・ 3He聚变能商业化前景展望――美国科学家对3He聚变能商业化前景的预言…………………(1) 空间核动力的发展概况…10) 锆铪分离在核工业中的意义及研究现状…16) 核燃料的保证供给与核不扩散―― IAEA特别事项 报告…24) 核能用于海水淡化的可能性…30) ・核电站与反应堆・ 国外快堆循环技术开发动向…35) 原型快堆 文殊 应用于广泛研究活动…39) ・核燃料循环・ 含有次锕系元素的燃料实用化研究开发(续Ⅰ):Ⅱ.

含有次锕系元素的燃料制造技术开发……(41) 含有次锕系元素的燃料实用化研究开发(续Ⅱ):Ⅲ. 常阳 辐照试验计划 Am-1 的成果…(43) ・核技术应用・ 辐射灭菌…46) 高分子辐射加工…48) ・简讯・ 国际核事件分级表补充放射源事件分级…51) 国际刑警组织希望获得更多经费用于防止核恐怖袭击…51) 20多个国家对浮动核电站感兴趣…51) 美国能源部发展GNEP和RRW…52) 美国阿贡国家实验室研究新的乏燃料后处理方法…52) 美国阿拉巴马州核电站重新启动…53) 美国能源部推动MOX计划…53) 美国佛罗里达州核电项目选定AP1000堆型…54) 美国洛斯・阿拉莫斯国家实验室附近辐射水平升高…54) 美国印度讨论核合作协议…55) 美国佛罗里达州建造更多核电站…55) 俄罗斯核工业重组――组建国有公司统管核工业…55) 法国Areva公司和日本三菱合作研究新型反应堆…56) 法国和阿尔及利亚探讨核电…56) 法国帮助越南发展核电…56) 英国将发布核武器削减战略…57) 印度具备潜基核导弹能力…57) 巴西计划完建第3台核电机组…57) 巴西计划2030年前建造8座核电站…58) 巴西投资5亿美元开发核动力潜艇…58) 伊朗第1座核电站2007年10月发电…59) 南非计划增加核电装机容量…59) ・科技管理・ 中国原子能科学研究院2007年 五・四 青年学术报告会获奖名单…60) ・专利简讯・ 专利简讯13项…62) 本期责任编辑 王丽英 3He聚变能商业化前景展望 ――美国科学家对3He聚变能商业化前景的预言 金立云,吴继宗,施义晋,汤秀章 (中国原子能科学研究院,北京 102413) 摘要:本文从核反应机制出发,阐明D-3He和3He-3He聚变能固有的清洁、安全、经济等突出优点,同时指出3He聚变能开发中存在核反应条件(n,τ,T:分别代表等离子体密度、约束时间和温度)要求高,和由于地球上3He资源稀少,必须大力开发利用月球上3He资源两大技术难点.文章重点介绍了美国威斯康星(Wisconsin)大学核聚变所等单位在月球3He资源勘探和3He聚变能开发中取得的重大进展,以及该所科学和工程技术专家对3He聚变能商业化前景的乐观预言,供广大3He新能源关心者参考. 关键词:裂变核能;

聚变核能;

氘-氚(D-T)聚变;

D-3He聚变;

3He-3He聚变;

月球探测

1 核能在我国能源中的战略地位迅速提升 新世纪以来,随着我国经济的快速发展,能源和环境已日益成为制约因素.为此,国家出台了一系列重大政策措施,用以不断增加能源供应,降低能源消耗、调整能源结构,减少污染物排放.在这种大趋势推动下,核能在我国能源中的战略地位迅速提升.从'

十五'

后期开始,我国的核电发展战略,已从'

适度发展'

调整为'

积极加快发展'

.与此相应,我国的核电装机容量将从目前的870万kW,提高到2020年的4000万kW,在全国总装机容量中的比例,将从目前的1.6%,提高到2020年的4%,到本世纪中叶,我国核电装机容量预计将达到12000~24000万千瓦,在全国总装机容量中的比例将超过10%.对更为洁净和丰富的聚变能开发,国家也作了积极安排,首先,我国已于2003年2月正式加入了共有七方(欧盟、俄罗斯、美国、日本、中国、韩国和印度)参加的国际热核实验堆(ITER)合作项目.该项目已选址法国卡达拉舍(Cadarache),并于2006年5月草签了全部合作协议文件.计划投资100亿欧元(中国出资10%),于2018年建成世界上首座50万kW热核聚变实验堆,用来验证核聚变能大规模应用的科学和工程技术可行性.我国还分别在成都和合肥建立了被称为 人造太阳 的中国环流器2号A装置和先进超导托克马克(EAST)(目前这两套装置处于国际上同类型、同规模装置的先进行列),用以支持ITER的核心技术预研.其次,在我国去年编制的中长期科技发展规划中,已把探月工程和载人航天列为重大专项,月球3He资源探测被列为主要科学目标,计划于2017年前实施'

绕、落、回'

三阶段无人探测,为随后择机载人登月和建立月球基地作准备,可见3He新能源开发已被提上议事日程. 由于裂变核能不产生温室气体,与产生大量温室气体的化石能源相比,是一种已被公认的洁净能源.但是裂变核能伴随着产生大量长寿命放射性裂变产物,需要进行严格的地质处置.加之,裂变反应堆的核安全,核扩散,至今仍有挥之不去的阴影,使广大公众心存疑虑.第1代聚变(D-T)核能,是一种较之裂变核能更加洁净和安全的能源,因为它既不产生温室气体,也不产生长寿命高放裂变产物.但是由于D-T聚变产生大量高能中子(14.1MeV),对反应堆结构材料的辐照损伤非常严重,同时产生大量放射性活化 产物,它一直是发展第1代聚变核能的最大工程技术障碍.而3He聚变核能,由于反应物(D,3He)和反应产物(1H,4He)都没有放射性(只是D-D副反应产生少量中子),是一种更为洁净、安全和经济的核能.月球探测结果表明,月球表面月壤中积存了数百万t 3He资源,如果加以开发利用,可供地球上人类上万年的能源需要.本文从核反应机制出发,阐明3He聚变核能的固有突出优点,同时指出3He聚变能开发中存在核反应物理条件要求高和必须大力开发月球3He资源两大技术难点.本文在随后的章节中,将重点介绍上世纪60 年代以来,美国威斯康星大学核聚变所在月球3He资源勘探和3He聚变能开发中取得的重大进展,以及该所科学和工程技术专家对3He聚变能商业化前景的乐观估计,供广大3He新能源关心者参考.

2 3He聚变能的突出优点及开发中存在的技术难点 2.1 主要裂变和聚变反应式 产生核能的方式分两种,一种是由重同位素(235U,239Pu等)吸收中子后引发裂变,同时释放巨大能量,称为裂变核能;

另一种是由轻同位 素(2H,3H,3He等)在上亿度高温下引发聚变,同时释放比裂变核能更为巨大的能量,称为聚变核能.其主要裂变和聚变反应如(1)~(5)式所示. 裂变能反应式: 225U+0n→2FP+2.50n(~1MeV)+(200MeV) (1) 第1代聚变能反应式: D+T→0n(14.1MeV)+4He(3.5MeV)2) D+D→0n(2.5MeV)+3He(0.8MeV) (50%) (3) 1H(3.0MeV)+T(1.0MeV) (50%) 第2代和第3代聚变能反应式: D+3He→1H(14.7MeV)+4He(3.7 MeV)4) 3He+3He→1H+1H+4He(Total 12.9MeV)5) 从以上反应式可以看出,反应式(1)~(4) 平均每个中子产生的能量分别为80MeV, 17.6 MeV,7.3 MeV和1840 MeV(按D-D副反应产生1% 的中子计),而反应式(5)不产生任何中子.D-T,D-D,D-3He和3He-3He聚变反应 式中,能量以中子释放的百分数分别为80%, 35%,1% 和0%.(图1). 正是由于第2代、第3代聚变能很少或不产生中子,所以使3He聚变能具有一系列突出优点. 图1 聚变反应中各种核粒子释出能量百分比 2.2 3He聚变能固有的突出优点 3He聚变能由于反应物(3He,D)没有放射性,反应产物很少或不含中子,因此,与D-T聚变能相比,具有一系列突出优点. 1) 辐照损伤小.D-T聚变堆由于高能中子(14.1 MeV)辐照损伤严重,反应堆每运行数年就需要停堆更换内壁和屏蔽体材料,而D-3He聚变堆产生的中子能量相对较低(2.5 MeV),数量又仅为D-T聚变堆的1/80,所以对30~40年的反应堆全寿期来说,就无需停堆更换内壁和屏蔽体等结构材料;

2) 减小了放射性废物.表1为各种反应堆运行中产生的放射性废物体积和等级,以及处理处置所需的相对经费.从表1可以看出,裂变堆必须使用所有三种处理场址,其相对费用比DT和D-3He聚变堆分别高100倍和1000倍.实际上,D-3He聚变堆产生的放射性废物和处理费用约为D-T聚变堆的十分之一;

3) 操作维护方便.D-3He聚变堆,由于无需经常更换高放射性的内壁和屏蔽体等结构材料,也没有氚增殖层的操作,大大方便了反应堆的运行和维修,从而大大减少了操作人员所受放射性剂量,还相应提高了反应堆利用率;

4) 提高了核安全系数.D-T聚变堆在冷却回路失灵的情况下,会导致严重的放射性泄漏,包括放射性活化产物和氚.但是D-3He聚变堆由于固有安全性及低温体系(~500℃),完全不可能发生类似的核安全事故.还由于D-3He聚变堆完全没有可能用于生产核武器材料,因而具有防核扩散功能;

5) 核电转换效率高,裂变核能和D-T聚变核能转换成电能是通过水回路实现的.即用裂变 表1 各种反应堆产生的放射性废物相对体积,等级,处理经费 废物等级* 相对处理费用 轻水堆 (一次通过) DT (SIC) D-3He (SIC) 3He-3He (SIC) 产生废物相对体积/GWe/a A级1数倍于C级 数倍于C级10C级

10 55

7 0

0 地质处置 (尤卡山)

1000 3

0 0

0 * 废物等级参考文献[6] 能或聚变能加热水蒸气,再去推动汽轮机组发电,其转换效率仅30%.而D-3He聚变反应产生的带电粒子,可以通过静电转换,其转换效率达70%~80%.加之可用硅整流二极管天线(rectenna)转换电子产生的同步辐射,总转换效率为60%~70%;

6) 总投资低,商业化时间短.由于D-3He聚变堆无需各种防辐射核级材料,大大缩短了核工程所需材料等的研发时间,节省了大量投资.同时申请执照相对容易,缩短了常规核工程漫长的审批时间和建设周期,只要D-3He反应率难题得以解决,工程问题的解决要比D-T聚变堆容易得多.所以总体上D-3He聚变堆投资低,商业化时间短,电价相应比较便宜. 2.3 He聚变能开发中存在的技术难点 人们不禁要问,3He聚变能既然有那么多突出优点,自上世纪50年代以来,科学家们为什么一直致力于D-T聚变能开发,而不去开发3He聚变能呢?这是因为第1,D-T聚变原料容易解决.D可以从海水中提取,T可以通过用中子照射锂( 6Li+0n→T+4He )来制备,氘在地球上可以说取之不尽,用之不竭,每升海水中含0.02g氘,地球上的海水有4.6*1021L,每升海水中的D产生的聚变能,相当于300L汽油燃烧的能量.而3He资源在地球上十分稀少,它存在于原始岩层和天然气中,据估算,全球只有几百kg.直至1986年,美国威斯康星大学核聚变所,通过对阿波罗样品的综合分析测试,外加综合了一系列无人探月卫星资料,确证月球表面月壤中积存了数百万t 3He热核聚变材料.但是,月球表面生态环境恶劣,一无空气,二无水源,离地球又十分遥远,要大规模开发利用3He资源,难度很大;

第2,D-T的反应率( n,τ,T )比D-3He高得多,也即D-3He聚变要有更高的温度和约束条件.D-T,D-D,D-3He和3He-3He聚变反应率如图2所示. 图2 D-T、D-D、D-3He和3He-3He反应率 结果表明,D-T,D-3He 和3He-3He聚变反应的合适温度分别为20 keV,60 keV和200 keV,详细计算表明,采用磁约束聚变时,n,τ,T三者的乘积以1013・................