钍能为下一代核反应堆提供动力吗?

由:Jesslyn盾牌|
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印度孟买巴巴原子研究中心(BARC)核研究反应堆内使用的钍颗粒。帕拉瓦·巴格拉/科尔比斯/盖蒂图片社

作为气候变化核能使地球变得不适宜居住,越来越受到人们的关注。太阳能和风能有助于减少温室气体排放,但如果能找到应对气候变化的解决方案,核能可能会成为其中的一部分。

尽管核能不会产生其他电力来源所产生的那种会改变气候的气体,但它也有一定的风险。首先,核电站放射性废料的处理面临着一个难题——如何处理这些危险的副产品?此外,如果堆芯融化并造成环境灾难,就像1986年乌克兰切尔诺贝利发生的那样,会发生什么?还有其他的担忧,但是考虑到我们目前的能源困境,我们有足够的理由继续努力使核能更安全。

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核反应堆是通过裂变来运行的,这是一种原子分裂产生能量的链式核反应(或者在核弹的情况下,是一次大爆炸)。

“全球大约有450个核反应堆在运行,它们都需要燃料,”他说史蒂夫Krahn他是范德比尔特大学土木与环境工程系的教授。他指出,在大多数情况下,这些反应堆使用铀-235 (U-235),而部分回收这种燃料的国家——法国、俄罗斯和其他几个国家——将回收的钚-239混合在一起,制成所谓的混合氧化物燃料。

钚是核反应堆使用过的燃料的副产品,它可以作为现今核反应堆回收核燃料的基础,法国和其他几个国家就是这样做的。18新利最新登入然而,它具有剧毒,而且是核武器最常用的材料,这也是科学家们继续探索其他选择的原因之一。

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1944年,德国物理化学家奥托·哈恩被授予诺贝尔化学奖,以表彰他与弗里茨·斯特拉斯曼(Fritz Strassmann)和莉莎·迈特纳(Lise Meitner)发现铀和钍的核裂变。
底座/法新社/盖蒂图片社

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钍是什么?

一些科学家认为钍元素是我们核能问题的答案。钍是一种具有轻微放射性、含量相对丰富的金属,与锡含量相当,比铀含量更高。它也很普遍,尤其集中在印度、土耳其、巴西、美国和埃及。

但需要注意的是,钍不是铀那样的燃料。不同之处在于铀是“易裂变的”,这意味着如果你一次在一个地方获得足够的铀,它就会产生可持续的链式反应。另一方面,钍是不裂变的——它是科学家所说的“肥沃的”,这意味着如果你用中子轰击钍(本质上是在一个以铀等材料为燃料的反应堆中启动它),它可以转化为铀的同位素铀-233,它是可裂变的,适合发电。

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钍的利弊

钍被用于一些最早的核物理实验居里夫人欧内斯特·卢瑟福也参与其中。在第二次世界大战期间,铀和钚与核过程的联系变得更加紧密,因为它们提供了制造炸弹的最清晰的途径。

在发电方面,钍有一些实际的好处。由钍形成的铀-233是一种比铀-235或钚更有效的燃料,它的反应堆可能不太可能熔化,因为它们可以在更高的温度下工作。此外,反应堆运行过程中产生的钚较少,一些科学家认为是钍反应堆可能会破坏自20世纪50年代以来制造和储存的成吨危险钚。不仅如此,一些科学家认为,使用钍和铀-233的反应堆更能防止核扩散,因为需要更复杂的技术将铀-233从废料中分离出来,并用它来制造炸弹。

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然而,钍也有缺点。18新利最新登入一个是钍和铀233更危险的放射性用化学方法处理因为这个原因,他们更难相处。制造铀-233燃料棒也更加困难。此外,如前所述,钍不是燃料。

Krahn说:“如果我们要用钍和铀-233的燃料循环来为我们的星球提供动力,必须在其他类型的反应堆中生产足够的铀-233来为最初的铀-233反应堆提供燃料。”“如果能够做到这一点,那么用化学方法处理钍-232和铀-233并用它们制造燃料的方法就相当成熟了;18新利最新登入然而,完成这些过程的设施还需要建设。”

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利用钍作为能源

几种方法钍可用于能源生产。目前正在研究的一种方法是在传统的水冷堆中使用固体钍/铀-232燃料,类似于现代的以铀为基础的发电厂。事实上,全世界有20多个反应堆使用的燃料是钍和铀-233。另一个让科学家和核能倡导者兴奋不已的前景是熔盐反应堆。在这些核电站中,燃料溶解在液态盐中,液态盐也充当反应堆的冷却剂。盐的沸点很高,因此它们可以更有效地发电,即使温度大幅上升也不会导致像福岛核电站那样的大规模反应堆事故。听起来,这种反应堆几乎是科幻小说里的东西,但这样的反应堆在20世纪60年代就在美国运行,目前正在运行建在中国的戈壁滩上

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