沸水堆(沸水堆系统组成)

提到跨越喜马拉雅山的印度，人们总会在中国互联网上看到各种负面新闻。但事实上，印度这个发展中国家近年来发展很快，在一些高科技发展上也有所成就。

比如印度这些年一直搞世界领先的快堆技术，有印度专家甚至认为比中国领先20年。

那么印度的这种快堆技术有多先进，中国在这一领域取得了哪些进展？

核反应堆核反应堆

裂变为人类打开了核能的大门，但我们不得不提到应对核燃料短缺的快堆技术。我们首先要了解核反应堆的工作原理。

1938年，当德国科学家迈特纳兹和哈恩试图使原子比铀重时，他们发现中子轰击了铀同位素铀235的原子核。原子核吸收一个中子后会进入不稳定状态，然后分裂成两个或两个以上的新原子核。这种现象后来被称为核裂变。

同时发现铀235在发生核裂变的同时，还会继续释放中子轰击其他原子核。这被科学家称为连锁反应。

进一步研究发现，相当于0.186个质子的质量在核裂变过程中丢失，爱因斯坦质能方程证明完全转化为能量。

核裂变核裂变

这一发现打开了人类利用核能的大门，也差点让纳粹德国率先生产出核武器，给人类带来了巨大的灾难。由于盟军的破坏，德国原子弹计划彻底破产，美国直到二战结束才成功爆炸第一颗原子弹。

原子弹威力巨大，但本质是不可控的核裂变。因此，在研制原子弹的同时，科学家们也在努力减缓连锁反应，以便人类能够利用能源。

1942年，由美国科学家费米领导的一个小组建造了第一座核反应堆。

反应堆的工作原理是利用能够吸收中子的镉棒与含有少量U-235的燃料棒混合，使核裂变的速率控制在非常稳定的区域，释放的热量可以输出到水或其他介质中进行发电[1]。

费米费密

二战后，美国、苏联等技术强国在世界各地建设了数十座核电站，核能发电比例迅速达到近10%。然而，在建造和运营核电站的过程中，科学家发现了一个巨大的隐忧。

也就是现在的核电站技术，虽然反应堆结构包括压水堆、沸水堆等。，但其实质是用铀235做裂变材料。

问题是天然铀矿中99%以上的铀元素都是铀238或贫化铀，不能参与链式反应，铀235即浓缩铀的比例只有0.714%。为了从贫铀中分离出这么少量的浓缩铀，往往要使用离心机等设备，这要消耗大量的金钱和能源。

目前国际标准核电站使用的U-235丰度为3%~10%，每公斤U-235需要用200吨铀矿石处理。更重要的是，浓缩铀提炼后，贫铀几乎没用了，但提炼过程中无法完全去除放射性物质。

因此，铀238已经成为一种放射性无用废物，各国不得不消耗大量资源对核废料进行无害化处理。

核电站核电站

可能有人知道，美国研制原子弹的时候，有两颗用的是铀235，扔向长崎的“胖子”原子弹用的核裂变材料是钚239。

虽然钚239也能参与连锁反应。而是因为它毒性大，过于敏感。所以在传统的核电站里，铀235几乎是唯一的裂变材料。

目前，全世界的核电站每年消耗近6万吨铀原料，而全世界的铀矿只有459万吨。

据估计，目前的核电站只能运行几十年，这使得人类无法尝试用核电替代煤炭、石油等化石能源。

铀矿石铀矿石

快堆用快中子实现核裂变，前景诱人，但难以实现商业化。那么，能不能在贫铀上做文章，让它也参与到连锁反应中来呢？科学家经过反复实验发现，当一个快中子击中U-238时，U-238可能会吸收这个中子，成为新的U-239。

铀239再次衰变，即原子核中的一个中子变成质子后，变成可用于核裂变的钚239。考虑到目前核电国家已经储存了几十万吨的U-238，只要将其中一部分转化为Pu-239，就可以大大增加世界核燃料的储量。

但是发现这个原理很简单，但是操作起来非常困难。在传统核电站中，由于中子速度很快，运动方向不确定，为了防止中子在未与原子核发生反应的情况下跑出核燃料，核反应堆中的核燃料棒本身就得浸泡在慢化剂中。

也就是说，需要人为降低中子速度来维持链式反应的正常运行。因此，如何设计快中子反应堆(快堆)来利用快中子激发核裂变，成为科学家们研究了几十年的难题。

核反应堆核反应堆

科学家还发现，快中子反应堆不仅可以变废为宝，还可以形成核燃料的封闭循环。这样在运行过程中就会不断产生新的燃料，简单来说就是“越烧越多”的特点。

比如将少量的U-235和大量的U-238同时放入快堆；首先，铀235用于链式反应放热，释放中子将部分铀238转化为钚239。当Pu-239也参与链式反应时，释放出更多的中子继续照射剩余的U-238。

从而在反应器中一步步变废为宝，甚至可以一步步加快反应速度。理论上，反应堆中的所有核燃料都可以参与链式反应，这意味着反应堆可以在不添加任何核燃料的情况下稳定运行几十年。

这使得快中子反应堆不仅经济，而且在安全方面也有优势。

核反应堆核反应堆

因为快中子反应堆说起来容易做起来难，即使西方国家已经研究了几十年，但迄今为止唯一投入商业运行的快中子反应堆是前苏联在别洛吉尔德核电站建造的BN 600。

反应堆热功率1,470 MW，发电量达到600 MW。

从1980年至今已运行近40年，发电成本低于地方火力发电厂。

目前，其运营许可已延长至2025年，并一直向附近的叶卡捷琳堡市供电。但前苏联没有继续在其他核电站建设快堆，可见其技术风险依然不小。

核发电厂核电站

印度利用其独特的资源优势，以钍为核燃料走在世界前列。在发达国家努力攻关快堆技术的时候，总喜欢做“世界第三”的印度其实也参与其中。如果以核武器的发展来衡量核技术，印度不仅落后于西方，也落后于早在1964年就爆炸了第一颗原子弹的中国。

然而，2017年，印度宣布在孟加拉湾附近的卡尔帕卡姆投产一座功率为600兆瓦的大型快中子反应堆。印度专家还声称其技术领先中国20年。

根据相关资料，印度快堆最大的技术亮点是核燃料的不同选择。与很多人熟知的铀-235和钚-239不同，印度的快堆实际上使用钍-232作为核燃料。一般来说，钍不被视为放射性元素，也没有国家用钍造原子弹。

但是钍有一种特殊的性质。也就是说，钍232在吸收一个中子后会变成钍233。钍233在一次衰变后变成镨233，在另一次衰变后变成铀233。铀233吸收中子后还可以发生链式反应，从而成为潜在的核燃料[2]。

钍元素钍元素

为什么其他国家都聚焦铀238，唯独印度选择钍232？首先，印度钍资源丰富，已探明储量36万吨，相当于世界储量的四分之一。然而，印度的铀资源极其匮乏，这几乎从一开始就限制了印度发展核武器的速度。

另一方面，目前从事U-238快堆技术公关的美俄等国，为了在冷战时期建造核武器和供应核电站，储存了数量惊人的U-238。很明显，他们不用铀238，但是研究钍232不值得。

印度在世界前沿快堆领域取得了一些研究成果，似乎出人意料。

印度和中国虽然也是十亿人口的发展中大国，但印度几乎没有石油资源，煤炭资源也非常匮乏。所以印度的能源对外依存度远高于中国，现在面临夏季电煤短缺。

中国石油中国石油天然气股份有限公司

目前印度虽然在利用国际地缘政治优势，但似乎并不担心进口石油和煤炭会被卡住。但随着印度国力的增长，迟早会享受到中国的待遇，这让印度领导人难免对印度的未来感到担忧。

如果印度不得不进口大量铀矿石来发展常规核电站，利用好钍资源是印度的最佳选择。就国际核能的整体发展而言，钍资源目前尚未得到广泛开发。

如果印度真的能用钍-232作为快堆燃料，那的确是人类核电发展史上的一个里程碑。

核反应堆核反应堆

但据外媒报道，快堆早在2012年就应该投入使用了。结果2012年宣布推迟到2016年；2016年宣布推迟到2017年，2017年又推迟到2018年。到了2021年，还没有确切的消息证明已经投产。

更令人惊讶的是，印度原子研究中心的负责人已经公开表示，印度政府正在重新考虑是否调整原定的建设计划，将600兆瓦的发电量减少到500兆瓦。

种种迹象表明，印度的快堆似乎就像其国产航母一样，是一个烂尾工程，这几乎是印度所有尖端技术发展的必然现象。

核反应堆核反应堆

中国一直在稳步推进核电技术，未来将在核聚变发电方面领先世界。即使印度的这个钍燃料快堆确实有它的优势，领先中国20年真的是夸张了。

首先，1960年快堆概念提出后，中国就开始跟踪技术。

2005年，我国正式制定了快堆发展国家战略，制定了“实验堆、示范堆、商用堆”三步走计划。2011年，中国实验快堆成功并网发电。它采用了美欧成熟的钠冷快堆技术，热功率65 MW，电功率20 MW [3]。

目前示范快堆正在福建霞浦建设，预计2023年投入运行。预计2030年左右，我国将建成一批商用增殖堆，实现并网发电。在钍燃料堆的技术路线上，中国在甘肃武威投入试运行了世界上第一座钍基熔盐核反应堆。

福建霞浦示范快堆福建霞浦示范快堆

与现有核反应堆相比，钍基熔盐堆不会发生熔毁，辐射量极小；此外，钍基熔盐堆易于小型化，建设规模可大可小，非常便于控制建设成本。

钍基熔盐堆整个产业链完全立足于中国。比如上海建工提供所需的材料、设备甚至反应堆的设计，上海电力制造反应堆容器、燃料盐排放罐等设备。

所以快堆和钍燃料堆中国都是走在世界前列的，即使个别技术路线有偏差，也绝不会有20年的差距。

热核反应堆聚变反应堆

值得注意的是，我国发展核电的历史并不短，但目前仅有54座核电站，核电比重仅占年发电量的5%。

一方面是因为我国铀资源短缺。如果按照西方国家的比例建设核电站，我国铀矿对外依存度将超过石油。

同时，核电站本身的风险也不容小觑。福岛核事故的教训让世界各国忧心忡忡，甚至有欧洲国家呼吁“弃核”。

因此，在煤、电、水、电等常规能源在中国仍有发展潜力的背景下，中国谨慎发展核电是正确的。

重要的是，即使快堆技术研发成功，用核电淘汰传统能源也太远了。毕竟U-238和Th-232的储量也有限。

中国核电站中国核电厂

所以中国在未来核电发展规划上走了两大步，每一步都比印度走得更远。

第一步是发展可控核聚变，简称人造太阳。1967年我国成功爆炸第一颗氢弹后，我们学习了一些关于可控核聚变的概念。

中国在80年代研制了“中国环流器一号”，现在中国在可控核聚变方面已经走在世界前列。

2020年12月，中国新一代“人造太阳”在成都建成。去年5月，中国的东超环成功实现了1.2亿摄氏度101秒的等离子体运行。

因为可控核聚变所需的材料可以从海水中提取，与核裂变相比几乎取之不尽用之不竭。

“人造太阳”“人造太阳”

更进一步就是瞄准月球。

在月球背面，由于太阳的长期直接辐射，月球土壤中存在数量惊人的氦同位素——氦3。科学家认为，未来氦3将成为可控核聚变中发电的重要材料，仅100吨氦3就能满足全人类一年的能源需求。

2019年初，中国“嫦娥四号”探测器首次在月球背面着陆，为未来月球资源开发迈出了第一步。

可以说，当印度还在为自己在核裂变方面的成就沾沾自喜的时候，它忘记了自己还没有爆炸第一颗氢弹。

中国人已经把目光投向了更长期、更有前途的可控核聚变发电。

参考文献

[1]1kg铀~(235)释放的热量相当于2700吨煤释放的热量。如何利用核能发电？百度学术。2019-08-14

[2]陈文茜。解码陈文茜2013-12-17。凤凰卫视:凤凰卫视。2013

[3]中国第一座快中子反应堆首次临界。人民网2010-07-22