自从新中国成立以来,百废待兴,工业基础薄弱,很多事情我们都是要从零开始,而当时以美国为首的一些西方国家不管是从军事,还是民用工业上,从各个方面对我国都进行了严格的技术封锁。
就算表面上出于友好的关系,派人来指导或者我们出去学习,别人也只会教你一些皮毛,核心技术根本接触不到。
然而,在面对如此严酷的外部环境,我国科研人员还是顶住了巨大的压力,经过数十年、以及几代人的努力,目前在很多科学技术方面都和西方国家缩小了差距,甚至在某些方面还有追赶超越之势。
例如,在核能方面我国就一直处在国际先进水平,尤其是中科院研制的“ADS嬗变系统铅基核反应堆零功率装置”在2016年首次实现了临界。
这个装置就是我们常听说的“启明星Ⅱ号”,且处于国际领先水平,正所谓风水轮流转,我国也对外进行了严格的技术封锁。
目前这个装置还在不断的改进升级,直到完善以后它将应用于民用核电站项目,它也是未来先进核裂变反应的发展趋势。
就连美日两个核能强国都想出千亿高价购买该设备,足以见得“启明星Ⅱ号”的重要性,那么它到底是什么啥玩意呢?
ADS嬗变系统跟目前核电站使用的反应堆不一样,它是粒子加速器和核反应堆的结合,它的优点在于比普通的核反应堆从本质上更加安全,并且能够最大程度地将核燃料燃烧,而且也可以将乏燃料(核废料)变废为宝,减少核废料的产出。
所以ADS嬗变系统具有“垃圾回收站”和“能量放大器”的作用,我们知道传统的核反应堆为我们带来了高效、清洁的电力能源,但是传统的核反应却有两个最大的弊端。
其一是,如果核电站发射泄露,那么周围数十公里将寸草不生,而且在短时间内核污染将无法散去。例如,历史上切尔诺贝利的核事故和离我们比较近的日本福岛核事故。
所以在核电站的运行过程中,要严防发生这样巨大的公共危害事件。
再则,传统的核反应堆会生成大量的核废料,在核废料中包含的放射性元素有铀235、铀238、钍232、未烧完的和新生成的易裂变材料钚239、镎、镅、锔等超铀元素。
这些元素均具有放射性,如何处理核废料就成为各国头疼的问题。以美国来说,他拥有着全世界最多的核电站,每年产生的核废料足有十万吨,这些废料只能通过在无人区(沙漠)掩埋的方式来处理,但这并非长久之计,且耗资巨大。
日本也是核工业大国,本来国土资源就比较紧缺,在处理核废料上更是一个大难题,他们的众多企业曾愿出资3000亿美金来寻求合作,购买“启明星Ⅱ号”,但被我们拒绝。
那么“启明星Ⅱ号”是如何提高核反应堆安全性和解决核废料的问题的?
上文说了,ADS嬗变系统是加速器和反应堆的组合,主要的工作原理是,我们可以使用粒子加速器来驱动单个质子,撞击铅核来制造大量的慢中子。
其中单个质子很容易获得,毕竟氢元素的含量在自然界十分丰富,我们只需要撸掉外层的电子就得到了单个质子。铅核的核子中包含着126个中子,每次质子的轰击都可以轰出大约20到30个中子。
然后利用这些中子去驱动核反应堆,这里的区别是,传统所使用的核反应堆为临界反应堆,也就是说这样的反应堆被启动后,可以依靠自身所产生的中子来维持自己缓慢的裂变过程。
而ADS嬗变系统所使用的反应堆为次临界反应堆,它自身发生裂变时所产生的中子无法持续的维持自身的反应,而是要通过加速器额外所提供的中子来持续进行裂变。
所以ADS嬗变系统进行核裂变的时候,更加容易控制。只要停止加速器,那么核反应堆中的裂变过程也会停止。因此,这样的系统相对于目前的反应堆来说更加的安全。
这个系统另外一个巨大的应有就是处理核废料,将那些不能进行裂变的元素转变为可裂变的元素,或者是将那些衰变周期十分长的元素转变为短周期的元素。然后利用这些元素再次进行裂变、或者通过放射性衰变提供的热量,继续用来发电。
我们知道铀元素的自然同位素包括铀234、铀235、铀238,其中只有铀235可以用来裂变反应,但是它的含量在铀矿中非常低,只有0.72%。
而大量存在占铀元素总量99.275%的铀238,一直被当作是废料进行分离,并且核废料中也包含着这些元素,现在我们可以利用ADS嬗变系统所产生的中子,来撞击铀238。
这样的撞击并不会使得铀238裂变,但它可以通过捕获中子变为钚239,钚239是实用的核燃料。然后我们可以将钚239从铀中,或者是废料中分离出来,再次利用。
再一个就是钍232,在自然界中钍的含量非常丰富,且都以钍232的形式存在。但是钍232无法被当作燃料进行使用,跟铀238一样,我们可以通过ADS嬗变系统将其转化为铀这种可用于核反应堆的元素。
假如一个质子轰击铅核产生了大量的中子,其中只有只有5个中子使得钍变成了铀,那也是大赚,因为一个铀元素的裂变可以产生大约200Mev的能量。
也就是说我们可以使用这个装置,将地球上大量的无用的钍232转变为可燃烧的铀,这是一个只赚不赔的买卖。
通过同样的方法,我们也可以将核废料中那些不能裂变的元素转变为可裂变的元素,将那些衰变期特长的元素转变为短周期的元素,让其在非常短的时间内大量衰变来产生能量。
如果这套系统未来被应用于核电站,那么核能就真的成为了高效、安全、无污染的清洁能源。而我国这在方面目前处于绝对领先的水平。也为未来核能的发展提供了新的方向。
这也是美日等国愿意斥巨资寻求合作的原因。