提到喜馬拉雅山對面的印度，在中文互聯(lián)網(wǎng)上大家總是看到各種負面新聞。但事實上印度這個發(fā)展中國家近些年經(jīng)濟發(fā)展很快，在某些高科技發(fā)展上也有所成就。
比如印度這些年就一直在搞全世界領先的快堆技術，有些印度專家甚至認為其比中國領先20年。
那么印度這個快堆技術到底有多么先進，中國在該領域又有什么進展呢？
核反應堆
提到快堆技術，就要首先了解核反應堆的工作原理。
1938年德國科學家邁特納和哈恩試圖制造比鈾更重的原子時，發(fā)現(xiàn)用中子轟擊鈾的同位素鈾235的原子核后；該原子核在吸收一個中子后會進入不穩(wěn)定狀態(tài)，然后分裂成兩個甚至更多的新原子核。這個現(xiàn)象后來被稱為核裂變現(xiàn)象。
同時發(fā)現(xiàn)鈾235這樣的元素在發(fā)生核裂變的同時，本身還會繼續(xù)釋放出中子轟擊別的原子核；這被科學家稱為鏈式反應。
更進一步研究發(fā)現(xiàn)在核裂變過程中有相當于0.186個質子的質量出現(xiàn)了損失，通過愛因斯坦的質能方程證明其完全轉化成了能量。
核裂變
這一發(fā)現(xiàn)打開了人類利用核能的大門，也差點兒使納粹德國搶先搞出核武器給人類帶來巨大災難。幸虧在盟軍的各種破壞下德國原子彈的計劃徹底破產(chǎn)，而美國也直到二戰(zhàn)尾聲才爆炸成功第一顆原子彈。
原子彈威力巨大，但它本質是不可控核裂變。因此在研制原子彈，科學家也在試圖讓鏈式反應能夠慢下來以便使能量能被人類所利用。
1942年美國科學家費米帶領的團隊，建造了人類第一個核反應堆。
反應堆的工作原理是利用能夠吸收中子的鎘棒同裝有少量鈾235的燃料棒混合，這樣就可以將核裂變的速率控制在一個非常穩(wěn)定的區(qū)域內，從而使釋放的熱量能夠被水或其它介質導出用于發(fā)電[1]。
費米
二戰(zhàn)之后美蘇等科技大國在全世界范圍內興建了數(shù)十座核電站，核能發(fā)電所占的比重很快達到了近10%。但是在修建和運營核電站過程中，科學家發(fā)現(xiàn)了一個巨大的隱憂。
那就是目前的核電站技術雖然反應堆的結構有壓水堆、沸水堆等，但其本質都是使用鈾235作為裂變材料。
可問題在于在天然鈾礦中鈾元素超過99%都是無法參與鏈式反應的鈾238或叫貧鈾，鈾235、也就是濃縮鈾的比例只有0.714%。為了能夠將這如此少的濃縮鈾從貧鈾中分離出來，往往要使用離心機等設備，耗費大量的金錢和能源。
目前國際標準核電站所用鈾235的豐度為3%~10%，每獲得1公斤鈾235需要處理200噸鈾礦石。更重要的是提煉出濃縮鈾后貧鈾就幾乎沒有用途，可在提煉過程中又無法完全將放射性物質除掉。
因此鈾238成了一種帶有放射性的無用廢物，各國為無害化處理核廢料又要消耗大量資源。
核電站
有人可能知道當年美國研制原子彈時有兩顆使用鈾235，扔到長崎的那顆“胖子”原子彈使用的核裂變材料是钚239。
雖然钚239也能參與鏈式反應。但由于其本身有劇毒又過于敏感。所以在傳統(tǒng)的核電站中，幾乎只有鈾235這一種裂變材料。
目前全世界核電站每年要消耗近6萬噸鈾原料，而全世界的鈾礦卻只有459萬噸。
由此推算目前的核電站只能運行幾十年，這讓人類試圖用核電來取代煤、石油等化石能源變得沒有可能。
鈾礦石
那么能不能在貧鈾上做文章，讓它也能參與鏈式反應呢？經(jīng)過科學家的反復實驗發(fā)現(xiàn)當用快速中子撞擊鈾238時，有可能使鈾238吸收該中子后變成了新的鈾239。
鈾239再發(fā)生衰變即原子核內一個中子變成質子后，就變成了可用于核裂變的钚239。考慮到目前核電大國已經(jīng)儲存了數(shù)十萬噸的鈾238，只要將其一部分轉化成钚239，就可以大幅增加全世界核燃料的儲量。
但是發(fā)現(xiàn)這個原理簡單，操作起來卻非常困難。在傳統(tǒng)的核電站中由于中子速度很快又不確定運動方向，為了防止中子未與原子核發(fā)生反應就跑到核燃料之外去，核反應堆中的核燃料棒本身要浸泡在減速劑里。
也就是說要人為地把中子的速度降下來，才能維持鏈式反應的正常運作。因此如何設計快中子反應堆（快堆）利用快速中子來激發(fā)核裂變，就成了科學家已經(jīng)研究了幾十年的難題。
核反應堆
科學家還發(fā)現(xiàn)快中子反應堆不但能夠變廢為寶，而且其本身還會形成的核燃料閉合式循環(huán)；這樣在運行過程中會不斷產(chǎn)生新的燃料，簡單說有“越燒越旺”的特性。
比如在一個快堆中同時放入少量的鈾235和大量的鈾238；先利用鈾235進行鏈式反應放熱，并釋放中子將一部分鈾238轉化成钚239。當钚239也參與鏈式反應之后，釋放出更多的中子繼續(xù)照射其余的鈾238。
從而實現(xiàn)在反應堆內一步步變廢為寶，甚至反應速率可以一步步加快。理論上該反應堆中的全部核燃料都能參與鏈式反應，也就意味著該反應堆裝填后可以穩(wěn)定運行數(shù)十年而不需要再添加核燃料。
這使得快中子反應堆在具備經(jīng)濟性的同時，也具有安全性方面的優(yōu)勢。
核反應堆
由于快中子反應堆知易行難即使西方國家已經(jīng)研究了幾十年，到目前唯一投入商業(yè)運行的只有前蘇聯(lián)在別洛雅爾斯基核電站建造的BN 600快堆。
該反應堆熱功率為1470兆瓦，發(fā)電功率達到600兆瓦。
自從1980年已實現(xiàn)運行近40年，而且其發(fā)電成本比當?shù)氐幕痣姀S還要低。
目前其運行許可證已經(jīng)延長至2025年，一直在為附近的葉卡捷琳堡市提供電力。但是前蘇聯(lián)沒有繼續(xù)在其它核電站建造快堆，可見其技術風險仍然不小。
核發(fā)電廠
在發(fā)達國家努力攻關快堆技術時，總喜歡以“世界第三”自居的印度居然也參與其中。如果以研制核武器來衡量核技術，印度不但落后于西方甚至落后于早在1964年就爆炸第一顆原子彈的中國。
但2017年印度宣布在孟加拉灣附近卡爾帕卡姆市投產(chǎn)了一座功率高達600兆瓦的大型快中子反應堆，印度專家還宣稱其技術領先中國20年。
據(jù)有關資料披露，印度該快堆最大的技術亮點就是核燃料選擇不同。和被許多人熟知的鈾235和钚239不同，印度的快堆居然使用的是釷232為核燃料。一般來說釷元素是不被看成放射性元素的，更沒有哪一個國家用釷去造原子彈。
但是釷元素有一個特殊的性質。那就是釷232在在吸收一個中子后會變成釷233。釷233經(jīng)過一次衰變后變成鏷233，再一次衰變又變成鈾233。而鈾233也可以在吸收中子后發(fā)生鏈式反應，從而成為一種潛在的核燃料[2]。
釷元素
為什么其他國家都把眼光盯在鈾238上時，唯獨印度會選擇釷232呢？首先印度釷資源豐富，其已探明儲量為36萬噸，相當于全世界儲量的四分之一。而印度的鈾礦資源卻極度匱乏，這也幾乎從一開始就限制了印度研制核武器的速度。
另一方面目前公關鈾238快堆技術的美俄等國，在冷戰(zhàn)時期為了造核武器和供應核電站儲存了數(shù)量驚人的鈾238。顯然他們放著鈾238不用，而去研究釷232是不劃算的。
印度居然在世界前沿的快堆領域取得一定研究成果，看似意料之外其實也在情理之中。
印度和中國雖然同樣是十億人口級的發(fā)展中大國，但印度幾乎沒有石油資源，煤礦資源也非常缺乏；因此印度在能源對外依賴程度上遠超中國，目前一到夏天就面臨電煤緊缺。
中國石油
雖然目前印度利用國際地緣政治上的優(yōu)勢左右逢源，似乎不擔心進口石油和煤炭會被卡脖子。但隨著印度國力的增長其早晚也會享受中國的待遇，這讓印度領導人難免不為印度的未來感到憂心。
如果發(fā)展常規(guī)核電站印度又必須大量進口鈾礦石，因此利用好釷資源就是印度的最優(yōu)選擇。而就國際核能源發(fā)展全局來看，目前釷資源上沒有被大量開發(fā)。
如果印度真的能夠實現(xiàn)用釷232作為快堆燃料，的確在人類核電發(fā)展歷史上是一個里程碑。
核反應堆
不過據(jù)外媒報道，該快堆早在2012年就應該被投入到使用了，結果2012年宣布推遲到2016年；2016年宣布推遲到2017年，2017年又推遲到2018年，到2021年也沒有確切消息證明其已經(jīng)投產(chǎn)。
更讓人大跌眼鏡的是印度原子研究中心負責人就曾公開表示，印度政府正在重新考慮是否要調整原來的建設計劃將600兆瓦的生產(chǎn)量降低到500 兆瓦。
種種跡象暗示印度這個快堆似乎又和其國產(chǎn)航母一樣成為一個爛尾工程，這也幾乎是印度所有尖端科技發(fā)展的必然現(xiàn)象。
核反應堆
即便是印度的這個釷燃料快堆的確有其過人之處，但是領先中國20年就實在是言過其實了。
首先1960年快堆的概念被提出后，我國就開始了技術跟蹤。
2005年我國正式制定了快堆發(fā)展的國家戰(zhàn)略，并制定了“實驗堆、示范堆、商用堆”三步走規(guī)劃。2011年中國實驗快堆成功實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，該堆采用已在美歐國家成熟的鈉冷快堆技術，其熱功率為65兆瓦，電功率20兆瓦[3]。
目前示范快堆正在福建霞浦建造，有望在2023年正式投產(chǎn)。預計到2030年前后，我國將陸續(xù)建設一批商用增殖反應堆實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。而在釷燃料反應堆技術路線上，我國目前在甘肅武威已經(jīng)試運行了全球首個釷釷基熔鹽核反應堆。
福建霞浦示范快堆
和已有的核反應堆相比釷基熔鹽堆不會熔毀，輻射量極??；此外釷基熔鹽堆極易小型化，建設規(guī)?？纱罂尚?，非常便于控制建設成本。
發(fā)展釷基熔鹽堆的整個產(chǎn)業(yè)鏈完全立足于國內，比如上海建工就提供了所需要的材料、設備乃至反應堆的設計，上海電力則是承制了堆容器、燃料鹽排放罐等設備。
因此無論是快堆還是釷燃料反應堆中國都走在了世界前列，即使在個別技術路線上有偏差也絕不會有20年的差距。
熱核反應堆
值得注意的是我國發(fā)展核電的歷史并不短，但目前核電站僅有54座，核電的比重僅占每年發(fā)電量的5%。
這一方面是因為我國鈾資源匱乏，若像西方國家那樣同比例建造核電站，那么我國鈾礦對外依賴度會超過石油。
同時核電站本身的風險不可低估，福島核事故的教訓到現(xiàn)在也讓世界各國憂心忡忡，甚至在有些歐洲國家都出現(xiàn)了“棄核”的呼聲。
所以在我國目前煤電、水電等常規(guī)能源仍有開發(fā)潛力的背景下，我國謹慎發(fā)展核電是正確的。
重要的是即使快堆技術研制成功離用核電淘汰傳統(tǒng)能源也太遠，畢竟鈾238和釷232的儲量同樣是有限的。
中國核電站
因此我國在未來核電發(fā)展規(guī)劃上邁出了兩大步，每一步都比印度走得要遠。
第一步就是努力發(fā)展科可控核聚變，簡單的說就是人造太陽。我國在1967年爆炸成功第一顆氫彈之后，就了解到了有關可控核聚變的一些概念。
在上世紀80年代我國就研制“中國環(huán)流器一號”，到目前我國在可控核聚變方面已經(jīng)走在世界前列。
2020年12月我國新一代“人造太陽”在成都建成，去年5月我國的東方超環(huán)（EAST）成功實現(xiàn)1.2億攝氏度101秒等離子體運行。
由于可控核聚變所需要的材料可以從海水中提取，所以相對于核裂變來說幾乎是取之不盡、用之不竭的。
“人造太陽”
更遠的一步則是將目光瞄向了月球。
月球背面由于長期受到太陽的直接輻射，月壤中有數(shù)量驚人的氦的同位素－氦3。而科學家認為氦3在未來也將成為可控核聚變發(fā)電的重要材料，只需要100噸氦3就能夠滿足全人類一年的能源需要。
2019年初我國“嫦娥四號”探測器首次實現(xiàn)了月球背面著陸，為未來開發(fā)月面資源邁出了第一步。
可以說當印度還在為其實現(xiàn)核裂變的一點成就沾沾自喜時，卻忘了自己到現(xiàn)在還沒爆炸第一顆氫彈。
而中國人早已經(jīng)把眼光放在了更長遠，更加有前途的可控核聚變發(fā)電上了。
[1] 1公斤鈾~(235)釋放的熱量相當于2700噸煤釋放的熱量 如何用核能發(fā)電．百度學術．2019-08-14
[2] 陳文茜．解碼陳文茜2013-12-17．鳳凰衛(wèi)視：鳳凰衛(wèi)視．2013
[3] 我國第一座快中子反應堆首次臨界．人民網(wǎng)．2010-07-22
