1、要回答這個問題,首先要做一個前提分析
在“1KG濃縮鈾可以讓一輛汽車跑多遠”的描述中,存在兩個較大的不確定性問題,需要進一步明確概念與邊界,分別是“濃縮鈾”與“汽車”。
首先來看“濃縮鈾”。原則上只要U235豐度超過0.7%(天然鈾)的鈾材料就是濃縮鈾,但在實際使用中,0.7%以上的濃縮鈾存在著巨大的濃度數值差異。根據國際原子能機構的定義,豐度為3%~5%的U235為核電站發電使用的低濃縮鈾,豐度大于20%的為高濃縮鈾,其中豐度大于90%的為武器級高濃縮鈾。
因此,從能量密度的角度來看,濃縮鈾中U235豐度的差異,會造成1KG材料中所含能量存在10-30倍的差異。
再來看“汽車”。根據《汽車和掛車類型的術語和定義》(GB/T 3730.1-2001),“汽車指由動力驅動,具有四個或四個以上車輪的非軌道承載的車輛”。而在此范疇內,汽車的體積、重量差異很大。舉例來說,傳統家用汽車重量為1.5噸左右,而大型貨車與專業作業車的重量可以輕松超過100噸,如專業礦石運輸車利勃海爾T284,其自身重量為237噸,載重量可達363噸。
綜合上述兩個不確定性問題,回答“1KG濃縮鈾可以讓一輛汽車跑多遠”,就需要進行不同的假設。
2、最理想的省油錢,情況是......
理想假設是:濃縮鈾U235豐度盡可能高,汽車重量盡可能小。
在該假設背景下,問題就變成了——
采用U235豐度接近100%的高濃鈾,通過一個可以忽略重量的反應堆,為普通家用汽車提供動力,可以讓汽車走多遠?
1KG鈾-235完全裂變可以釋放約合2280萬度電的能量,假設反應堆能量轉化效率與傳統壓水堆能量轉化率相近,取35%,那么可以發出約800萬度電。
以特斯拉model 3后輪驅動版舉例,其電池容量為60度,續航里程為556公里。800萬度電能夠推動其行駛約7400萬公里,不考慮汽車老化的理想假設下,1KG濃縮鈾可推動其繞地球行駛1850圈。
3、然而現實是......
事實上,從客觀實際的角度出發,相應的假設要保守得多。
首先,高豐度的濃縮鈾是受國際管制的,由于存在安全(臨界)與安保風險,高濃鈾不可能作為民用運輸工具上的普遍性材料,因此使用壓水堆常用的3%-5%的低濃鈾作為燃料更具可行性。
其次,裝載反應堆的汽車需要裝備與反應堆屏蔽防護、安全安保、能源轉換等功能相對應的各類配套裝置,如輻射屏蔽層、安全保護系統、能量轉換裝置等。此處按100噸進行假設。
還需要關注的是,小型(相對核電廠而言)核能轉換裝置的能源效率,與大型核能發電裝置能效相比,成倍地降低。當前大型的核能發電廠的熱效率約為33%,且往往越是大型核電廠,其發電效率就越高,反之,發電效率就越低。此處假設車載反應堆的核能轉化效率為17%。
如此一來,討論的題目就變成——
在不考慮反應堆具體設計的前提下(不考慮1KG低濃鈾能否產生持續鏈式反應),針對安裝有反應堆(核能轉化效率為17%)的汽車(重量100噸)上,使用1KG低濃鈾(3%左右富集度),推動車輛行駛,可以讓汽車走多遠?
參考SYS80核電廠相關參數,其1KG核燃料可生產43萬度電,小型車載反應堆在保守假設下可以發電22萬度,同時考慮汽車重量是傳統汽車的50倍,沿用特斯拉model 3的耗電率假設(核能汽車與當前電動汽車在單位重量單位里程的耗電量一樣),綜合推算可得,22萬度電能夠推動重量為100噸載有反應堆的汽車行駛約4萬公里。
假設乘用車年平均行駛里程為1.25萬公里,平均壽命為5年,其壽期里程需求為6.25萬公里,1KG的低濃鈾還不足以滿足需求。
4、綜上......
在理想情況下,1KG濃縮鈾可推動傳統汽車行駛7400萬公里,可以充分解決“里程焦慮”;而結合各類現實因素后,現實的情況是,1KG的低濃鈾僅能推動裝載反應堆的汽車行駛約4萬公里,無法充分解決“里程焦慮”,且車輛與燃料成本巨大。
所以,更高效的核能利用途徑就是: 核電廠以更高的能量效率將低濃鈾中的核能轉換為電能,再通過充電樁、電池將電能傳導至電動汽車,那樣,1KG低濃鈾所釋放的能量,將會同時用于更多的車輛,其釋放的電量可以帶動1000輛小汽車行駛7.4萬公里。
5、前方高能,要上價值了
如今,網友之所以可以熱烈地討論“如果汽車用上反應堆,1KG濃縮鈾可以讓一輛汽車跑多遠”,足見,在公眾眼中核反應堆越來越安全可控,正期待核技術更廣泛地應用于生活中,這無疑是對核工業人幾十年來努力的最好肯定與回饋。
毋庸置疑,核能是一種清潔低碳能源。當前,核反應堆正在朝著兩極發展,大堆越來越經濟安全,小堆(微堆)技術也正持續進步,就在海南昌江,全球首個陸上商用小型反應堆正在如火如荼地建設中,而這僅僅只是開端,相信在未來,核能發展空間愈發廣泛,而核動力汽車也不再只是假設。
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