核废料再利用,核能技术朝零污染迈进

能源技术与日俱进,科学家无不希望能研发出效率高、污染低的发电技术,最后商业化为人们带来干净可靠的电力。以核能来说,努力目标也离不开推出核废料少、安全性更高的设备,就像是可用核废料来发电的第四代核分裂技术,又或是当地球上打造可媲美太阳的核融合能量场,纵使上述技术距离商业化都还有些距离,但他们前行速度并不慢。

一直以来,核废料存放、安全性都是核分裂电厂常年不受欢迎的主因,它能带来庞大稳定的电力,但随之而来的核废料辐射将延续好几万年,若意外发生,更可能会造成环境与人们都难以负担的灾难,因此核能争议长久不休。而新型第四代反应炉或许能稍稍缓解纷争,它在持久性、安全性、可靠性、经济性、抑制核扩散与物理防护上有大量的改善。

目前加州创业公司Oklo则有望在美国爱达荷国家实验室(Idaho National Laboratory,INL)创建一座新型1.5MW小型核反应炉极光(Aroura),可供应1,000户家庭用电,20年不用换燃料,还目标使用核废料发电。

Oklo已获得场地使用许可,同时INL也会开放Oklo权限,回收用过核燃料棒为极光反应炉使用,Oklo共同创办人兼首席执行官Jacob DeWitte表示,这是展示极光反应炉的好方法,同时更证明先进核反应炉能使用核废料来发电,也能列入干净能源行列。

但是否能使用铀燃料还需要看后续协议,其中极光核反应炉技术主要基于快中子反应炉(fast reactors),采用预计采用铀235浓度介于5%到20%的HALEU(High-Assay Low Enriched Uranium)燃料,其浓度虽然仅略高于普遍核电厂的3%,但能带来更大的效益,由于浓度更高,能打造更为小型的核能组件与反应炉,建设成本更低、也更快速,这种核燃料也备受小型模块化反应炉(SMR)爱戴。

INL核能科学与技术副实验室主任John Wagner,采用浓度更高的U-235的核燃料,反应炉的运行时间可再拉长,因也能建设在偏乡地区。

真正实现无污染的核技术

上述是未来第四代核能技术的进展之一,而除了核分裂反应炉,近年核融合技术也大有进展,其中核融合虽然听起来陌生,但那是太阳产生能量的方法,太阳核心每秒会发生6.2亿吨氢的核融合反应,为此科学家想当地球打造一颗“人造太阳”,提供人们干净无污染的电力。

相较于核分裂发电,核融合该技术是将氢的两种同位素氘、氚原子结合,形成一个较重的原子核与一个较轻的原子核,而若要进行核融合反应,得将物质的温度提高使原子核和电子分开,进而形成电浆,最后科学家再利用强大的磁场来控制与封闭电浆。

由于产生的核废料半衰期极短,低管理成本、核泄露时总危害较低、最多只有一公里内需要撤退、安全性也更高。

不过核融合技术开发不易,需要将反应炉温度提高到1亿°C以上,因此打造出耐热设备、提高电浆温度与稳定电浆都是目前科学家想要攻克的难题,而现在澳洲科学家则想回避“高温”难题,通过两道激光光束实现“氢–硼核融合技术HB11 Energy”,完全不会有放射性污染,或许会是最干净的核能技术。

澳洲新南威尔士大学的技术主要是用啁啾脉冲放大技术(Chirped Pulse Amplification,CPA)产生两道超强、超短、皮秒级脉冲激光,以精确的非线性力产生聚合反应,理论物理学家Heinrich Hora表示,氚元素既罕见又昂贵,氘氚核融合反应也会释放中子、产生放射性废弃物,而氢硼反应不会产生中子,是相当理想的燃料。

HB11 Energy反应炉设计并不复杂,首先是一个中央放有HB11燃料的中空金属球,两道激光光会从金属球两侧的小洞射入,一道激光主要是创建电浆的磁场围阻场(containment field),另一道激光则是希望能引起持续不断地雪崩式聚合链反应。

废料再利用、朝零污染迈进,核能技术改头换面再出发

HB11 Energy反应炉会产生质量大、电荷最高的α粒子,可直接产生电流,不用像现在的技术还需要多一个步骤,通过热交换机或是蒸气发电机将热能转换成电能。

Hora认为这项技术具有干净与绝对安全优势,建设在人口稠​​密的都市也没有问题,更不用担心会像核分裂技术一样、发生炉心溶解的惨剧。目前HB11 Energy已获得中国、美国与日本专利,也是2050年实现低碳排放的好手。

核能议题不管在还是海外,基本上都争论不断,虽然具有发电量高又稳定,但高昂兴建成本、核废料存放、运维跟退役事宜,以及意外风险,这些都容易引发政治、社会歧见与纷争,而核能技术也在多方的争吵与摩擦中持续进步,未来说不定新型核能技术能不仅能改变世界能源,还可以改变氛围。

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