香港万得通讯社报道,7月4日,由中国原子能科学研究院(“原子能院”)自主研发的100 MeV质子回旋加速器首次调试出束,标志着该院承建的国家重点科技工程-HI-13串列加速器升级工程的关键实验设施建成,实现了工程的重大里程碑节点。随着建造加速器的技术不断获得突破和提高,用加速器驱动技术生产绿色核能,解决核燃料紧缺和核废料处理问题,为人类解决未来能源问题铺平道路的梦想有望成为现实。
据原子能院串列升级工程部总经理张天爵介绍,串列加速器升级工程建成后,将在已有串列加速器实验室的基础上,逐步形成一器多用、多器合用、多领域、多学科的科学研究平台,将填补我国中能强流质子回旋加速器、高分辨同位素分离器和超导重离子直线加速器的空白,达到目前国际同类装置的先进水平,使我国成为少数几个拥有新一代放射性核束加速器的国家,也成为我国核科学技术领域开展基础研究和应用的创新性与先导性研究平台。
加速器驱动技术在核能发展中三大应用方向:
当前,科学家探索加速器驱动技术在核能发展中的应用主要有三个方面:一是解决核废料处理问题;二是开发新型的核能燃料;三是建设新型的“绿色”核能反应堆。
1.在核能生产中,核废料的处理一直是阻碍核能发展的难题之一。科学研究证明,用高通量的加速器轰击核废料,可去除当中含有的钚、锕等放射性同位素,从而大大降低核废料中放射性物质的生命周期,缩短需要隔离储存的时间。经过加速器处理后失去放射性的核废料也将使恐怖分子失去对它的兴趣。人类从此也可对其高枕无忧。
2.当前核反应堆使用的核燃料主要是铀-235。目前全球探明的铀-235的资源量仅能供人类消耗50-100年。包括我国在内的许多国家都在大力发展核能。人类和平利用核能的燃料来源将日趋紧张。现代加速器驱动技术在解决核燃料紧缺问题上有望在三个方面发挥作用。一是将核废料转变成核燃料;二是可将铀238转变成铀235,扩大利用现有的铀矿资源;三是可将钍资源变成核燃料,实现以钍为核原料的核能生产。
近年来,利用钍资源发展现代核能成为热点。2009年10月20日《纽约时报》报道,科学家一直在探索将钍变成核能燃料。钍的放射性小,产生的核废料少,它的利用可以实现核能的绿色生产。全世界钍的储量比铀高3-5倍。已探明的储量中,澳大利亚50多万吨,美国40万吨,土耳其32万吨,印度32万吨(据有关资料介绍,我国已经查明的钍的储量在28万吨左右)。随着加速器技术的发展,通过建造高同量的质子加速器,产生中子,用中子将钍(将钍的常见形式钍-232转变成钍232)、铀238和核废料转变成核燃料的设想已经成为可能。因此,我国应该积极开展这方面的探索研究,并加强保护和利用我国现有的钍资源和铀矿资源。
3.目前的核反应堆都是在临界状态下进行,依靠核裂变中产生的中子维持核裂变链式反应的进行。核裂变反应开始后,在原理上已经无法停止。但是如果这种链式反应失去控制,前苏联切尔诺贝利核电站事故有可能重演,大量的放射性物质将被释放。利用加速器驱动技术可实现亚临界状态下的核反应堆。反应堆在亚临界状态下不能自身产生中子,通过加速器不断对其提供中子维持核裂变的进行,如果关闭加速器,即停止向反应堆提供中子,没有中子继续撞击原子核,核裂变反应也就随之停止。因此,利用加速器驱动技术可以实现真正的“可开关”的核反应堆,将大大提高核反应堆的安全性和可控性,将使人类和平利用核能事业掀开新的一页。
国内核电产业链迎发展良机
从产业链的角度来看,核电建设包括了燃料供给商、设备供应商、电力辅业集团、发电企业核输配电企业等几个环节:一是上游环节,包括核燃料、原材料生产;二是中游环节,包括核反应堆、核电核心设备(不含核反应堆)制造及核电辅助设备制造;三是下游环节,主要包括核电站建设及运营维护。随着我国基础核物理研究的进步,发展核电的制约因素将得到有效解决,全产业链均将受益。
(一)上游产业-核燃料
目前我国从事核电原材料的企业较少,具有较大生产规模的几家企业都在沪深两市上市。如生产锆制品的升华拜克、东方锆业;生产核级钠的兰太实业;生产核石墨的方大炭素和中钢吉炭。
(二)中游产业-核反应堆制造、核电核心设备制造(不含核反应堆)及核电辅助设备制造
1、核反应堆
目前核反应堆目前处于第三代技术和第四代技术过渡阶段,主要由美国(西屋AP1000系列核反应堆)、法国(阿海珐公司EPR系列核反应堆)、俄罗斯(VVER1000 系列核反应堆)等国掌握,我国通过引进、消化、吸收、创新,也逐渐掌握相关技术,并研制出具有自主知识产权的CNP系列和CPR1000 核反应堆。
2、核电核心设备(不含核反应堆)制造
核电的核心设备包括核岛设备和常规岛设备等。一般来说,核岛设备约占设备投资的45%,常规岛设备占比为30%,另外辅助设备占比约为25%。因此,根据2009-2020年设备投资约为4000亿元计算,预计在此期间,核岛设备市场容量约为1800亿元,常规岛设备市场容量约为1200亿元,而其他辅助设备市场容量约为1000 亿元。我国生产核岛设备、常规岛设备的企业大多也都在深沪和香港上市如东方电气、上海电气、哈尔滨电气。
3、核电辅助设备制造
核电辅助设备包括核岛堆内构件、压力容器、核岛起重设备、核岛循环冷却装置、核级阀门、空冷设备、核电厂变压器、其他设备及材料等。此环节是国内企业进入核电壁垒最低的环节,因此我国核电辅助设备的国产化较高,大多数具有实力的企业在沪深上市,如生产核岛堆内构件的海陆重工;生产核岛起重设备的上海机电、太原重工;生产核岛循环冷却装置的的盾安环境;生产核级阀门的中核科技;生产空冷设备的企业有哈空调和上风高科;生产核电厂变压器的特变电工和天威保变等等。