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睡前消息351期：德国反核电，中国铀矿很安全，“钍味”中国核电
2021年11月9日睡前消息文字版第351期
【睡前消息351】22世纪的“钍味”中国
大家好，2021年11月9日，星期二，欢迎收看351期睡前消息，请静静介绍新闻。
德国反核电站也要买法国的核电
最近几个月全球都陷入能源危机，石油、天然气和煤炭供应不足，很多国家都开始重新考虑发展核电站，但德国还是坚持明年全面放弃核电。德国政府是怎么考虑能源问题的呢？
德国坚持放弃核电是几十年环保政治的惯性。
冷战初期，美苏进行了大量的核实验，也在欧洲部署了大量核武器，引发了最初的反核武器运动。德国是美苏冷战的前线，如果冷战变成热战，双方都打算第一时间在德国使用核武器，所以民间情绪对核裂变的反感最强。
70年代初，西德准备在维尔市建核电站，结果因为街头抗议，被迫在1975年取消了这个项目。这是全球民间运动第一次成功组织核电站项目。
1979年美国发生了三里岛核电站事故，进一步刺激了全球反核电的情绪。
1980年德国成立了绿党。
1986年切尔诺贝利核事故发生之后，德国恐核情绪进一步放大，政治领导人纷纷表态，说现有的核电站是一个过渡方案。1975年开始建设的米尔海姆卡利希核电站正好1986年建成，但是施工方为了避开地址断裂层，把核电站位置偏移了几十米，违反了最初的规定，许可证出了问题，被绿党激烈反对。
1998年，德国社民党和绿党联合组阁，这个核电站被最高法院裁定永久关闭，累计发电只有30个月。然后绿党提出了2030年之前关闭全部核电站的计划。
到了2009年，德国有17座核电站在运行，差不多占了1/4的发电量。而后续的接班能源还没有确定，这个时候是强势的莫克尔连任总理，决定给一批核电站做延期。
没有想到2011年日本又发生了福岛核事故，重新激发了德国人对核电站的恐惧。莫克尔只能选择一个比绿党还要激进的弃核政策，立即关闭八座核电站，剩下九座到2022年全部关掉。
最近一次议会选举，德国绿党拿了14.8%的选票，是所有大国内部最强的环保力量。德国不太可能再放松核电的限制了，所以只能继续执行明年放弃核电站的计划。
现在德国还有六座核电站上网发电，供应1/9的能源，新一任的政府压力不小。
而且弃核只是德国环保能源计划的第一步，接下来德国要到2038年关闭全部的煤电站，2050年放弃天然气，彻底转向新能源。
既不要核电站，也不要传统的火电站，那德国打算靠什么来发电呢？
现在德国27.4%的电来自于风力，9.7%靠光伏，再算上水电和生物原料发电，已经有一半的电力来自于可再生能源了。
但是新能源发电的波动很大，德国被迫搭建了一套复杂的电力管理市场，有2700多个平衡单元，靠精密管理勉强维持了稳定。
但无论怎么管理，绝对的电力缺口是没有办法弥补的，2050年之前德国还是要指望烧俄罗斯的天然气发电。
所以德国对波罗地海下面的北溪二号天然气管道非常积极，宁可和美国翻脸，也要把管道修起来。
另外，德国还要直接进口一部分电力，尤其是凌晨两点到早晨七点没有太阳的时候，要靠法国的电来保证社会运转。
但法国恰恰是个核电大国，凌晨时段法国有85%的电力来自于核电站，德国眼下不要国内的核电，也是拒绝不了外国核电站的。
德国目前还是世界第四大工业国，人口只占全世界的1.1%，制造业产值占了全世界的百分之六。这样的国家敢于全面转向新能源发电，无论原因是什么，成绩还是值得肯定的。
当然德国敢这么做也和自然条件有关系。德国位于欧洲中心，发电低谷可以买周围国家的电，发电高峰段也能把过剩的电卖出去。
像英国这种欧洲边缘的岛国，再喜欢环保概念，也得坚定的支持核电。
这一次能源危机，大多数国家还是主动减少了对核电的限制。
中国铀矿的国内外布局
我们回到核电的话题，这么多国家重新重视核电，从七月到九月铀矿涨价超过了60%，中学地理教科书就提到我国铀矿储量不足，需要大量进口。那中国的核电站还能按照计划发展吗？
十几年前中国铀矿供应的前景的确很紧张，现在中国已经建立了可靠的全球铀矿供应链，国内的资源开发也很给力，在可预期的将来，国产铀矿就能满足大部分国内的核电站了。
现在主流的核电站是压水堆，粗略换算一下，每一万千瓦的发电能力，每年要消耗一吨铀矿。
十几年之前，中国预计2030年达到1.3亿千瓦的核电装机量，每年消耗1.3万吨铀矿。而当时中国每年只能生产800多吨，确实面临铀矿危机。
过去十几年产量只提升到1650吨，对外的依存度从一半左右提高到90%左右，相对的问题似乎更严重了。
但从国际贸易的角度看，中国的铀矿来源更丰富，也更多元化了。目前世界前三大铀矿生产国是加拿大、哈萨克斯坦、澳大利亚，第四是纳米比亚。
中广核铀业公司在2012年收购了纳米比亚湖山铀矿，2019年中国又从力拓手里收购了纳米比亚罗辛铀矿，这两座铀矿分别是世界第三、第五大铀矿基地，一年起码有5000吨的产能。
在哈萨克斯坦方面，中广核通过入股拿到了四座大型铀矿。
虽然中国还要进口不少铀，但基本都是在自己能够控制的矿山区进口。
核电站的长期安全还是要指望国内资源储备。这些年政府一直在组织国内铀矿勘查，已经在新疆伊犁，内蒙古鄂尔多斯、通辽和江西抚州搞了四个千吨级产能的铀矿基地。这四个基地本身虽然不足以满足核电站的全部需求，但是给国内的勘探队伍积累了经验，在探矿理论方面有明显突破。
从现在最新的勘探结果来看，内蒙古鄂尔多斯、二连浩特和巴彦淖尔都有特大铀矿，远景来说可以将万吨甚至是10万吨级的世界级铀矿基地。中国核电站的本土也是不缺燃料的。
钍基熔盐反应堆优势大
说起核电，最近还有一个消息，9月9日《自然》网站发布了一篇报道说中国八月份在甘肃武威建成了钍基熔盐反应堆，九月份开始试运行。和现有的核电站相比，这个新型核反应堆有哪些进步呢？
一般报道提到甘肃这个钍反堆的时候往往都会指出，钍的储量大，是铀的三四倍，所以会重点介绍燃料供应可靠的特点。但是一方面，我们铀矿的供应已经不是大问题了，另外一方面，几乎所有第四代反应堆的技术路线都能节约铀矿。比如说铀基快中子反应堆可以把铀的利用率从不到1%提高到60%。所以节约燃料并不是钍反应堆的核心竞争力。
武威钍反应堆的放射性核废料也比现在的反应堆要少，尤其是超铀锕系元素少，不到现在压水堆的1%，废料不用储存上万年，几百年就能基本无害化，所以废料库的等级可以降低，从抵御地质级的侵袭降低到一般永久性地下工程的水平。但这个好处也不是钍反应堆的独特优点，其他形式的快中子反应堆也能做到，也不一定用钍来发电。
新型钍基熔盐堆的真正优势是安全性更好，运行成本更低。从核燃料来说，自然界中的钍基本都是钍232，半衰期140.5亿年，非常稳定。在使用之前，要用铀235或者钚239发射中子把钍变成容易裂变的铀233，然后才能送进发电站。
钍232的热中子俘获截面是铀238的三倍，生成的铀233还可以放出更多的中子，制造更多的燃料。所以钍基堆的可以在低浓缩度情况下增殖，甚至可以直接用之前的核废料来生产燃料。
除了核燃料用不完之外，新型钍反应堆在结构上也有优势。现在的核反应推基本上都可以理解成一个烧水的锅炉，用核裂变的热量来烧水，再用水把动力传给发电机，水蒸气烧的越热，效率就越高。
但是核燃料要用锆合金包起来，一旦温度超过1300开尔文，锆就会和水起反应，生成大量的氢气制造爆炸。
所以传统的核反应堆必须为了安全把热效率压到33%左右，以降低出口温度。
目前新型的核反应堆只有三代半的超临界水堆还在用水做冷却剂，靠高压来提高水温（同时改进包壳材料），把热效率提高到45%。其他的技术路线往往使用氦气、二氧化碳或者是液态的钠铅熔盐为冷却剂，提高运行温度，把热效率进一步提高到50%。
武威这个反应堆就用液态盐来传递能量，效率明显高于现有的核电站。
一般来说，核电站大多数成本并不是用来发电，而是用来保证安全的。在技术路线上，降低安全成本要比提高效率、节约原料还要重要。
如果用氦气、二氧化碳这些气体来传递核反应堆的热量，一旦泄漏到大气中就会造成严重的污染。
换成液体的话，液态钠不那么容易泄露，但是钠的化学性质活泼，一旦和大气接触就会起火爆炸。
1995年日本的文殊反应堆就出现过钠泄漏导致了火灾事故。
所以最好的传热介质是铅和盐，其中液态铅的密度太大，冷却系统才重，结构成本高，不容易维护。在目前的技术水平下，液态溶盐是最好的选择，而且不用大量消耗水，可以在干旱地带建设。
这就是我们武威这个钍基熔盐核反应堆在安全、成本和废料处理方面都有优势。
钍基熔盐堆好处有这么多，为什么到现在才开始做实验装置呢？
这条技术路线提出很早，但是因为政治原因被搁置了几十年。
1946年二战刚结束，美国就开始研究熔盐核反应堆，这是因为熔盐核反应堆尺寸不大，美国陆军航空兵希望能够把他搬到飞机上，搞无限续航的核动力飞机。
美国的橡树岭国家实验室一度把25%的经费花在这条技术路线上。
1964年橡树岭实验室建成了人类第一座钍基核燃料熔盐实验堆MSRE，运行到1969年，积累了不少技术成果。
当时的橡树岭实验室主任是阿尔文温伯格，他在1955年接受了核动力飞机项目，发现这个项目不靠谱，就把研究重心转向民用钍基熔盐堆，通过研究MSRE橡树岭实验室在70年代初就完成了新一代钍基熔盐增殖堆的概念设计。
但是美国总统尼克松并不感兴趣，因为当时是冷战年代，铀-钚循环反应堆能够和核武器配套，增加核战争的潜力。
1973年尼克松解雇了温伯格，钍基熔盐堆技术开发就停滞了。
中国很早也开始考虑核技术的民用化问题。上世纪70年代初，中国也曾经考虑做钍基熔盐堆发展民用核电站，项目代号是“728工程”。
1971年我们在上海建成了零功率的冷态熔盐堆做模拟，但是由于综合技术水平不足，后续研究还是先研究比较简单的轻水反应堆。
现在回顾钍基熔盐堆的技术路线，应该说在50年代搞开发略微超前于时代了。当时各大国的资源一切为了冷战胜利服务，而钍基熔盐堆从采矿到核废料处理，和军事工业的配套都很差，争取不到开发经费也很正常。
现在中国一方面有足够的民营工业需求，另外一方面军事上也基本站住脚了，不用所有项目都为军事服务。所以能够跳出冷战的限制，开发钍基熔盐堆。
这么说，钍基核电站技术储备最强大的国家也是美国。那为什么美国现在自己不做呢？
因为中美面对的问题不同，机遇也不同，美国在电力上缺乏投资动力，而中国抓住了这个战略机遇。
从最近美国的供应链危机来看，就算港口堵死了，美国也要等着中国和东亚运工业品，而不是发动本国的工业搞生产。
这样的国家实体工业没有增量，发电量维持现在的水平就可以。
最近几年民主党政府上台，美国就努力开发可再生能源。共和党政府上台就支持各州开发页岩气，用廉价天然气填上了电力缺口。和这些成熟的发电方式相比，新开发一种核电站，就算技术路线再合理，也体现不出价格优势，所以美国的资本不愿意投资。
其他发达国家，比如说德国和日本，虽然制造业还要消耗不少电力，但是增量不大。反而是他们拥有很多第一代，第二代核反应堆，设备陈旧废料处理麻烦，在人口密集地区确实制造了反核电站的舆论。所以趁着中国压低了光伏发电和风力发电成本，这些发达国家最主要的任务是用可再生能源去替换核电站，而不是搞新的核电。
现在世界上最大的发电增量和用电增量都在中国，中国发电量超过美国是在2011年，十年后，今年上半年中国发电量已经是美国的两倍，任何发电增量在中国都有用。
现在全球都在提控制碳排放的口号，中国自己要压缩煤电，也不想烧天然气发电，最可靠的基础电站还是核电站。
所以在福岛核危机之后，最先全面恢复核电站建设的国家就是中国。
发达国家在冷战之后才成熟的第三代反应堆，中国用了一代人就基本掌握了，开始到处推广华龙一号的技术。在可预期的未来，风力光伏的发电规模虽然还会继续扩大，但是人类始终没有找到大规模储存电力的办法。所以新能源发电规模越大，电网的稳定性就要越差。
德国的现状证明，全面转向可在生能源，就必须从国外买电来稳定电网。
中国本土的电力需求太大，不可能靠国外电力来稳定，所以必须全力开发核电，给世界确定新一代的核电技术标准，准备以后向全世界出口核电设备和零部件。
这就是甘肃钍基熔盐反应堆的历史定位。
早到2011年，中科院就确定了钍基熔盐堆是战略性先导技术专项，发动了十几家单位联合攻关，其中包括上海应用物理所、上海有机所、上海高研院、长春应用化学所、金属所，一起拟定技术标准。
当时的中科院副院长亲自带队访问了美国橡树岭实验室、麻省理工，和美国能源部签署了一份较小范围的谅解备忘录，从美国拿到了不少冷战技术作为参考资料。还和美方共同确定了熔盐堆材料加工标准，技术准入标准。
2011年正是美国对华战略转向的前夜，如果当时拿不到这些资料，中国可能就要自己再多摸索好几年。
到了2016年，中国熔盐堆技术已经可以说国际领先了。
当时中国提出的目标是准备到2030年实现钍基熔盐堆商业化运行。一般来说，新型核反应堆在进入民用市场之前要进行十年以上的技术积累，才能制定全套的技术管理标准。从2030年倒推，实验堆今年投产是刚好卡到了时间点上。
中国这次搞钍基实验堆并没有照抄美国冷战期间的技术方案，而采用了氟化锂、氟化柚、氟化钍三元熔盐作燃料，以氧化铍作为慢化剂。
高中化学介绍过，酸碱盐在熔融状态下也能够电离和金属发生反应，所以熔盐堆的主要技术瓶颈就是做出不怕腐蚀的管道，而且还要在高温、高应力、高辐射环境下保证管道的稳定性。
这些材料技术过去只有美国人才能做，最近几年中科院金属研究所的董加胜、韩维新做出了新型合金，耐熔盐腐蚀，耐650度高温，而且有希望把指标提高到800度，让纯净的食盐也能以液态通过。
这个新材料是今年钍基熔盐堆投产的前提。
中国现在每年的用电增量差不多就是德国的全部用电量，所以在新型发电技术方面不会只走一种技术路线。
除了钍基熔盐堆，其他四代核反应堆也在平行开发。
同样是在上个月，石岛湾高温气冷堆示范工程一号堆首次临界，预计年内就要并网发电。而在北京的房山区原子能院还有一座纳冷实验快堆，2011年就实现了并网发电。
过去几十年，科幻小说总是设想，人类将来要通过核聚变来解决能源问题，毕竟天上挂着太阳，已经用聚变给我们提供了几十亿年的稳定能源。
但是从目前的开发进度来看，人类完全不知道用什么材料可以做核聚变反应炉的燃烧室。对于聚变等离子体的理解也很差，理论上都没有找到合适的技术路线。
所以除了风力和光伏发电之外，最可靠的下一代能源还轮不到聚变发电，人类还是要把重元素核裂变发电的技术路线再升半级。
从历史地位来说，甘肃武威的钍反应堆项目比不上瓦特的蒸汽机，也比不上爱迪生的发电厂，但也肯定能够算一个次一级的人类文明里程碑，希望我们能够在2030年准时看到钍反应堆的商业运行。
另外，看到武威钍反应堆的试运行的新闻，我立刻想到了2018年这个项目在媒体上第一次露面的样子。当时项目刚刚开工，施工单位为了安抚农村来的工人，按照建筑工程的行业惯例，请了道士做法，杀猪杀鸡拜了鬼神，还烧了一大堆符咒。本来是充满科幻色彩的项目，奠基仪式充满了土味的神秘主义色彩。三年之后的今天，回看当初的奠基仪式，我觉得还挺吉利的。
钍基反应堆就应该有一个足够土的开场，希望中国的核电工业能够把西部黄土的味道带进22世纪。
好，感谢大家收看，351期睡前消息到此结束，我们周五再见。
