快堆開動起來之後,會不斷地有238鈾吸收中子變成239鈈,經過一段時間後(例如15-20年),人們可以從“燒”過的核燃料“灰燼”中,提取出足以裝備與自身功率一樣大的新堆所需要的鈈燃料,在此期間,快堆電站隻要繼續添加熱堆中不能作燃料的238鈾貧料,而所得的電能卻比熱堆核電站還要多。人們把快堆譽為能發電的“核燃料生產廠”。
快堆實際上是核電站家族中資格最老的成員。早在1951年8月,美國建成了世界上第一座實驗快堆,而且成功地作了發電試驗。雖然當時它的電功率隻有200千瓦。可它卻是世界上最先問世的快堆核電站。
30多年來,一些工業發達的國家(如美、英、法、前蘇聯、日本和德國),投入大量人力、物力,耗資幾十億美元來發展快堆。目前,全世界總共有21座快堆。其中在運行的有13座,正在建造的有4座,計劃建造的有7座。原型快堆已經成功地運行了十年多,已經證明快堆在技術上是可以實現的,增殖核燃料也是可能的(鳳凰快堆的增殖比為1∶15)。現在電功率為120萬千瓦的大型商業驗證快堆正在法國運行。快堆技術已經走出了實驗室的大門,正走向工業化應用的康莊大道。
各國普遍認為,快堆是發電堆的最終歸宿,特別是在受控核聚變難以在今後相當長時期內工業推廣的情況下,快堆發電更是重要。
但需要指出的是,快堆技術至今尚未成熟,重要原因是快堆技術本身要比熱堆複雜得多,尚有不少技術關鍵問題需要攻克。此外,快堆的建造費用要比熱堆大得多,現在快堆的造價要比同規模的熱堆貴2-3倍。有人估計,當快堆的單堆功率超過200萬千瓦時,經濟上可能與熱堆媲美。本世紀初,人們一定能建造出這樣的大型快堆,那時快堆電站將會在全世界推廣應用。發展快堆進展最快的法國,本世紀初,已開始推廣快堆電站工業,因此天然鈾的需要量將逐步下降,從而減輕了進口能源所造成的壓力。快堆必將是從熱堆核電站向核聚變電站過渡的橋梁。
核聚變能
人類將最終解決能源需求的希望,寄托在受控核聚變的實現和推廣上。核聚變能是利用氫原子核(如氘-氘或氘-氚)在極高溫度(幾千萬度或上億度)下聚合成較重的原子核(如氦)過程中釋放出來的巨大的能量。核聚變的主要燃料是氘,可以比較容易地從海水中提取到。據推算,每升海水中所含的氘若完全“燃燒”,可產生相當於300升汽油的能量。海水中至少含有35萬億噸氘,可以供全世界享用百億年以上。更為可貴的是核聚變反應中幾乎不存在放射性汙染,而且核聚變反應堆在任何時刻都隻有一丁點的氘在聚變,所以不存在失控所帶來的危險。聚變能是名副其實的理想、幹淨的能源。但是,要使核聚變能順從地在人為控製下為人類服務卻是一件十分困難的事。為了馴服核聚變能,從20世紀50年代初開始,科學家們就熱心地進行受控核聚變的研究。
全世界已有40多個國家在進行受控核聚變的研究,它們投入了大量人力和物力,建造了幾百個實驗裝置,從事研究的科學人員約有12000多人。目前,全世界每年用於核聚變研究的費用已超過20億美元。
經過幾十年的艱苦努力,受控核聚變為什麼進展如此緩慢呢?主要是因為實現受控核聚變的條件非常苛刻。首先,我們無法同時造成太陽中心那樣高的等離子體密度和極高的溫度,隻有追求比太陽中心更高的溫度來解決問題。理論研究表明,氘核的聚變點火溫度達四億攝氏度,氘氚混合氣體的熱核反應也要在五千萬攝氏度才能進行。要創造這樣的環境在技術上是困難重重的。隨著新技術的開發利用,人們試用電流、激光等方法來加熱氣體。其次,還要使這樣高的溫度保持一段時間,等離子體溫度越低,數量越少,密度越小,超高溫保持時間就越要長。還有,超高溫的等離子體,有強烈地向外擴張的特性,必須有極強的磁場來約束住它們,絕對不讓它們與四周容器壁接觸,否則任何材料也擋不住如此高的溫度,頃刻氣化,變為烏有。要解決這些重重困難,有待於激光技術、超導技術、新材料技術等嶄新技術的飛躍發展。
科學技術的進步,不斷地給受控核聚變的研究帶來福音,經過了漫長的接力賽跑之後,受控核聚變的研究已經到了關鍵的時刻。1982年12月24日,美國建成了一座有三層樓高的“托卡馬克型”核聚變實驗反應堆(TFTR),從設計到建成這座核聚變實驗堆總共花了七年時間,耗資3億多美元。設計這座反應堆的目的是為了實現輸出能量等於輸入能量,以便證明實現受控核聚變的可能性。