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  记得去年年底,网络上有一个吸睛的名词,谓之“核电宝”,据说这是中科院推出的又一黑科技。不过,由于“核电宝”提出概念后,便没有然后了,人们也就渐渐淡忘这个玩意儿。

  而实际上,核电宝并不仅仅是个概念,而确实是一项前沿核能技术,且正在研发中。今年我国取得突破性进展的两项核技术,ADS和可控核聚变,就使用着和“核电宝”相同的核心技术,这就是铅冷技术。或者说,不论是核电宝,还是我国的ADS,甚至未来的可控核聚变技术,都可以说是属于铅基堆的范畴。

  从人类开始和平利用核能直到今天,有些棘手的技术问题科学家一直没有彻底地解决。

  比如说压水堆,就很容易因失去冷却水而导致堆芯熔毁,也容易因锆水反应导致氢气爆炸,进而产生严重的核事故(比如三里岛、切尔诺贝利,福岛核事故),甚至正常运行期间,燃料破损也会导致放射性物质泄漏,导致厂房内辐射剂量升高,而压水堆核电厂为了让以上情况发生的可能性降低而进行的投资,又越来越变成了压水堆在经济上的不可承受之重(例如AP1000杰出的安全性带来的能拖垮母公司的成本问题)。

  又比如说第四代反应堆,如钠冷快堆,钠冷快堆因安全性而一直让人望而生畏……钠这种金属虽然熔点低,适合做快堆的冷却剂,但是钠遇到水容易爆炸,泄漏出来也容易着火。同时钠的沸点低,一千多度就可能沸腾挥发,这对于千度以上高温的堆芯来说,如果堆芯功率稍微异常波动,就很容让堆芯受损,甚至发生爆炸的。

  又比如说目前正在研究的核聚变反应堆。聚变反应希望冷却剂在带走聚变热量的同时,还能为聚变堆堆芯补充燃料氚。而一种能耐受聚变能的高温又能提供燃料的物质,却不是那么好找了,这也成了聚变堆研究上的一个难点。

  又比如说现在炒得火热的小型堆。如果用常规核电技术进行缩小化处理的话,设备的复杂程度其实没有降低多少,安全性也不能有质的提高。设备复杂的结果是故障率高,设备运行不稳定,安全性则是决定小型堆能否大规模使用的另一重要因素。

  面对核能技术上述的种种问题,核能科学家们一代又一代,前赴后继潜心研究,希望能研发出一种能够终结上述所有问题的完美反应堆技术。功夫不负有心人,在有些天才的科学家和一些大胆的实践家的捣鼓下,人们终于隐约看到了这种完美反应堆技术若影若现的身影,这就是铅基堆。

  相比比尔˙盖茨的行波堆,屡败屡战的钠冷快堆,经常占据聚光灯的小型堆,铅基堆可以说是一种传统而成熟的反应堆堆型。

  早在上世纪70年代,苏联就将铅基堆装备在了核潜艇之上。这些潜艇不仅潜得深(据说最高能潜水900米以下,比美国鱼雷的深度还深),而且,这种潜艇跑得也快,发起疯来水下速度能达到40节,一度成为世界上跑得最快的潜艇。据说,美国人听闻此消息后好几年都惴惴不安。只不过,铅基堆的这些辉煌,在苏联解体后就渐渐成了历史。

  到上世纪90年代,铅基堆再次进入了科学家的视野。所谓铅基堆,简单地就是用铅合金做堆芯冷却剂的反应堆型。铅合金一般选用的是铅铋合金。相比铅和常用金属冷却剂钠,铅铋合金有着更低的熔点和更高的沸点,这个特点能保证铅基堆在低压高温的工况下运行。

  对于反应堆,低压意味着反应堆管道和设备的承压要求大大降低,甚至普通的金属管和设备就可以用在铅基堆上,这让铅基堆的建造成本变得低廉,而高温则意味着核能转化为电能的效率更高,让核电变得更加的经济。

  而这还只是铅基堆的基本优点,理论上,用铅合金做冷却剂的反应堆,冷却剂可以因堆芯内外的温差,进行自然循环。简单地说,就是即使反应堆一回路不设计主泵,冷却剂也可以自然循环带出堆芯的热量,实现反应堆一回路的“非能动”设计。

  铅基堆的这个特点让核科学家们眼前一亮,如果不布置主泵,将堆芯设计得足够小,然后利用反应堆内产生的热量进行温差(或其他半导体材料)发电,那岂不是就成了可以随意移动,且能量源源不断的充电宝了?这也就是用铅基堆设计“核电宝”的基本思路之一。

  随着对铅基堆技术研究的深入,科学家们渐渐发现,铅基堆几乎算是能够终结传统反应堆缺点的“完美堆型”。

  例如,铅基堆就不存在传统压水堆因高压带来的设备制造要求高问题,也不存在压水堆失电时堆芯无法循环冷却的问题,同时,铅基堆的铅合金冷却剂,很容易与放射性的碘元素发生化学反应生产化合物,能够有效阻止破损燃料内的放射性物质外泄。

  与快堆相比,铅合金的化学性质稳定,不会与水发生剧烈反应,也不易因泄漏引起火灾。同时,铅基堆还有一种神奇的“自愈”功能,即反应堆一回路发生轻微泄漏时,泄漏的铅合金会冷却凝固,封堵破口,简直和人体血液的功能一样。而钠冷快堆就不行了,钠的泄漏很容易引发火灾,当年日本的“文殊”快堆就因钠泄漏而发生多次严重火灾。而更让钠冷快堆感到威胁的是,铅合金对中子的吸收和慢化能力都很弱,不仅可以像钠一样作为快堆的冷却剂,还能用于次临界堆(比如ADS),一旦铅基堆技术成熟,钠冷快堆的地位将岌岌可危。

  铅基堆与聚变堆也有技术上的关系。作为未来之堆,目前研究阶段的聚变堆的燃烧过程是这样的:首先在堆芯加入氚氘混合物点火,点火后聚变产生的中子与堆芯外包层的锂发生反应,生成氚,生成的氚与源源不断加入的氘进行持续的可控核聚变。而聚变产生的热量则由堆芯外包层的冷却剂带走。目前,科学家考虑的最可能的聚变堆外包层冷却剂就是铅锂合金,即利用了铅合金的高沸点和化学稳定特性。可以说,未来的聚变堆也是一种铅基堆。

  铅基堆虽然优点如此之多,但是技术依然不成熟。上世纪苏联将铅基堆装在其核潜艇上的时候,是铅基堆最辉煌的时候。但是铅合金的腐蚀性让反应堆材料选型十分困难,同时,用液态金属冷却堆芯,科学家们研究得相对来说还是太少,这让铅基堆的运行极不稳定。当年苏联装备铅基堆的核潜艇就因故障率高等原因而不得不退役。不过不管怎么说,铅基堆也算第一种人们实际使用过的第四代反应堆技术,所以在核科普和宣传的时候,核科学家才敢脸不红心不跳地说铅基堆“有成熟技术基础”。

  类似于可控核聚变,铅基堆目前依然是一种看似美好,但要走的路还很长的反应堆技术。俄罗斯,美国,欧洲,日本,韩国中国目前都在铅基堆上花了很大功夫,俄罗斯更是宣传要在2030年之前让铅基堆商用。

  相对来说,我国铅基堆研究起步比较晚,而且主要是用铅基堆作为ADS反应堆技术的研究。不过,我国的铅基堆研究属于只做不说,闷声得成就的那种,这不,去年我国宣布了ADS首次临界,今年又有关于ADS技术理论的新发现,更有可控核聚变取得新进展的报道。我国铅基堆技术的未来,还是蛮值得期待的。

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