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为什么说铀 235 可能会用完?

回答
铀 235 可能会用完,这话说得没错,但需要更细致地理解其中的“用完”和“可能”。这并非说我们会在某个朝夕之间把地里的铀 235全挖出来,然后就什么都没了。这是一个关于资源开采、利用效率以及相对稀缺性的问题。

首先,我们得知道铀 235(U235)是个什么东西。它是铀元素的一种同位素,在天然铀矿石中含量极少,大约只占0.72%。而铀 238(U238)才是天然铀的主要成分,占99.27%。我们之所以对U235如此关注,是因为它是唯一一种在自然界中稳定存在、且在低能量(热中子)作用下可以发生链式裂变的同位素。正是这种裂变,释放出巨大的能量,使得U235成为核反应堆和核武器的核心燃料。

那么,为什么说它“可能用完”呢?

1. 天然储量是有限的: 就像石油、煤炭一样,地球上的铀矿石储量是有限的。虽然目前已探明的铀储量足以供应我们使用相当长一段时间,但这些都是“已知”的数量。随着开采和技术的进步,可能会发现新的铀矿床,也可能因为经济效益问题而放弃一些低品位矿。但无论如何,地球上的物质总量是守恒的,这意味着铀矿石的总量是确定的,取之不尽用之不竭的说法对于这类矿产资源来说是不成立的。

2. U235是天然铀中的“稀客”: 正如前面提到的,U235在天然铀中的比例非常低。要让核反应堆正常运行,特别是现在广泛使用的大多数轻水反应堆,需要将U235的浓度提高到3%5%(称为低浓缩铀),而核武器则需要更高浓度的U235(称为高浓缩铀)。这个浓缩过程本身就需要消耗大量的能源,而且会产生大量的U238,这些U238在目前的技术条件下,无法直接作为裂变燃料。所以,我们实际上是在从富含U238的“铀矿石”中,提炼出那一点点U235。

3. 一次性消耗的燃料: 核反应堆中的U235被消耗后,会转化为其他元素(裂变产物),它本身不再是U235。虽然在反应堆中有一定比例的U238也能通过吸收中子转化为可裂变的钚239(Pu239),但这部分“增殖”能力并非所有反应堆都能达到。尤其是在传统的“快中子反应堆”出现并普及之前,大部分核反应堆主要是消耗U235。即使是增殖反应堆,其增殖系数(每消耗一个燃料原子产生多少新的可裂变原子)也只是略大于1,这意味着理论上可以“生产”出比消耗更多的可裂变材料,但仍受限于初始的铀矿石供应。

4. 开采成本与经济性: 随着品位越来越低的铀矿被开采,提取铀的成本会逐渐升高。当开采成本高到一定程度,或者有更经济的能源替代品出现时,对低品位铀矿的开采就会变得不经济。那时,即使地层中还含有铀,但因为开采不出或无法在经济上承受,就相当于“用完了”。

5. 技术进步与替代能源: 这里的“用完”也包含着一种相对的概念。如果未来出现了比核能更高效、更清洁、更经济的能源,比如聚变能大规模商业化,或者某种革命性的储能技术,那么对U235的需求就会大大降低,即便地球上还有铀矿,但它作为主要能源的时代可能就结束了。从这个意义上说,对于我们当前赖以驱动文明的能源结构而言,U235作为燃料的“可用性”也就“用完”了。

举个更形象的比喻:

想象一下,你有一个存满稀有宝石的宝箱,但这些宝石被大量的普通石头包裹着。你只能一点点地把普通石头筛掉,才能拿到那些稀有的宝石。你筛掉的普通石头越多,拿到手的宝石就越多。但即便宝箱里的普通石头堆积如山,稀有宝石的总量是固定的。随着你不断地筛取,最终你可能会把所有能触及到的稀有宝石都取出来。

宝箱里的石头:相当于地球上的天然铀矿石。
稀有宝石:相当于U235。
普通石头:相当于U238和其他杂质。
筛取的过程:相当于铀浓缩。

你不可能把宝箱里的每一块石头都变成稀有宝石。你只能获取那些本就存在的稀有宝石。所以,“用完”更像是说,在未来,如果人类继续以现有或更高的速度消耗U235,并且没有新的、经济有效的铀矿资源被发现,那么当那些更容易开采、品位更高的铀矿被挖空,且低品位铀矿的开采成本过高时,U235作为一种可行的、大规模的能源来源,其“可用储量”就会逐渐枯竭。

值得注意的是,现代核能技术也在不断发展。例如,快中子反应堆理论上可以将U238转化为Pu239,从而大大提高铀资源的利用率,可以将原本无法直接利用的U238也变成燃料。如果这类技术得到广泛推广,那么我们对U235本身的依赖就会降低,而对整个铀矿资源(包括U238)的利用效率会大幅提升,这样一来,“U235会用完”这个说法就需要重新审视了,更准确的说法可能变成“铀矿资源的总量是有限的”。

总而言之,说铀 235 可能会用完,是因为它是天然铀中的稀有成分,需要经过提炼才能用于核能,且一旦用于裂变就会被消耗。地球上的铀矿储量是有限的,随着开采和利用,其浓度较高的部分会被优先耗尽,而低浓度部分的开采成本可能变得不经济。这是一个关于资源有限性和利用效率的普遍规律,并非暗示着它会突然消失,而是说它作为一种“可经济开采、大规模应用”的能源,其可用时期是有限的。

网友意见

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在反应堆当中消耗的是天然铀中的铀235,以及铀238少量吸收中子后转化而来的钚239。铀235是唯一天然存在的易裂变核素,天然铀当中的铀235只有0.711%,其余的铀238被称为可转换材料。而反应堆当中消耗一个铀235原子同时能转化的钚239原子的比例称为转换比。在压水堆或沸水堆当中,转换比约0.6,重水堆(比如CANDU),转化比为0.8,所以在这两类反应堆当中,天然铀资源利用率是很低的,不到1%。在快堆中转换比可以大于1,此时称增殖比,反应堆也称为增殖堆。

由于压水堆需要铀浓缩,部分铀235分配在尾料中,计算浓缩损失和乏燃料中的铀和钚损失,实际消耗了天然铀的0.6%,如果将乏燃料中的钚制成MOX燃料返回使用,可以使利用率增加20%~30%。但MOX燃料在压水堆中只能回用一次,其后质量会大幅度下降。重水堆的天然铀利用率相当于压水堆的1.38倍,但乏燃料由于可裂变核素很少,目前没有回收价值。也就是说热中子堆的天然铀利用率很难超过1%,只有在增殖堆当中,才可能从0.711%铀235出发利用余下的铀238,当然考虑燃料循环中的损失,大致最终可以利用天然铀的50%~60%。

此外也可以利用钍(钍232)作为可转换材料,吸收中子衰变转化为易裂变的铀233,铀233—钍的燃料循环有可能在某些热中子堆(重水堆和高温气冷堆)当中实现几乎等于1的转换比,但钍燃料循环的启动依然需要易裂变核素,并且较铀-钚燃料循环来讲在燃料循环周期、后处理方面困难更大。钍同样也可以在快堆中增殖,但相比钚,在快堆中使用没有优势,更适合快堆增殖热堆使用的设想。

至于天然铀资源,目前世界铀资源探明储量为709.66万t铀(价格低于260美元/kgU),价格低于130美元/kgU的廉价铀资源约为530万吨,另有预测的300万吨常规铀资源储量,预测的非常规铀资源约3000万吨(来自磷矿共生和黑色页岩),海洋当中有约40亿吨铀(但利用成本可能高达数百美元甚至更高)。在考虑核电增长的情况下,廉价铀资源满足人类50年左右的核电需求(纯热中子堆利用),不考虑增长可满足一百多年。考虑核电占世界发电量的比例只有10%左右,也就是这部分铀资源在压水堆中利用相当人类10多年的发电量。

如果以快堆利用,上述铀资源的发电量可以乘以50倍,再考虑目前以贫铀和乏燃料形式存在的170万吨铀资源,仅廉价和已开采的铀资源相当的发电量就相当于当前世界年发电量的数百倍,再计算钍资源(铀地壳丰度的3~4倍,在几乎没有需求的情况下已探明储量接近廉价铀资源)和非常规铀资源,不考虑增长的情况下,基于快堆的核裂变能源可以满足人类数千年级别的能源需求,甚至更久。

遗憾的是商业化快堆尚未成熟,虽然示范快堆已有相当长的运行经验,然而快堆在经济性上处于显著的劣势(建设成本乐观预计相当轻水堆电厂的2.5倍,燃料循环费用预计是轻水堆电厂的5倍以上),安全性上存在大型快堆在反应性控制、严重事故后果等方面的担忧,在可预见的未来,作为商业核电是不成熟的,但快堆在嬗变消毁次要锕系元素和钚库存方面有很大应用价值,仍有发展的必要。

退一步讲,海水提铀工程实现,并能将铀价格控制在1000美元/kgU以下,轻水堆核电的资源问题也不是问题——核电价格和天然铀价格关系不是那么密切,天然铀价格约占当前核电成本的5%左右,并不是决定核电的经济性的决定因素,在该铀价格下,轻水堆可能对快堆仍有一定优势,快堆完全可以放弃高增殖比来完善安全性和嬗变等方面的需求。

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