深度丨比核聚變更快更近，釷基熔鹽堆能否成為更可及的終極能源?

比水堆更遠(yuǎn)，比聚變堆更近，釷基熔鹽堆正在一步步證明其作為終極能源的潛力。

中國(guó)科學(xué)院11月1日發(fā)布消息，近日，由中科院上海應(yīng)用物理研究所牽頭建成的2MWt液態(tài)燃料釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆首次實(shí)現(xiàn)釷鈾核燃料轉(zhuǎn)換，在國(guó)際上首次獲取釷入熔鹽堆運(yùn)行后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，成為目前國(guó)際上唯一運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)釷燃料入堆的熔鹽堆，證明了熔鹽堆核能系統(tǒng)利用釷資源的技術(shù)可行性，鞏固了我國(guó)在國(guó)際熔鹽堆研究領(lǐng)域的引領(lǐng)地位。

這一科研成果的關(guān)鍵意義，不在于發(fā)電，而在于驗(yàn)證了一種全新且更可持續(xù)的核燃料循環(huán)方案。釷和熔鹽堆堪稱黃金搭檔，國(guó)際公認(rèn)熔鹽堆是最適合釷基核燃料高效利用的堆型。該堆型的基本原理是將釷-232溶解在高溫液態(tài)氟化鹽中，形成流動(dòng)的燃料熔鹽。當(dāng)堆芯發(fā)生核反應(yīng)時(shí)，釷-232會(huì)吸收中子，最終轉(zhuǎn)換為裂變材料鈾-233，并持續(xù)燃燒。

對(duì)鈾資源自然稟賦不佳、但釷資源豐富的中國(guó)而言，釷鈾循環(huán)技術(shù)之于能源獨(dú)立的意義不言而喻。

實(shí)驗(yàn)堆是新的核電堆型走向商業(yè)應(yīng)用的基石，選址甘肅武威的釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆從一開始就已明確商業(yè)化目標(biāo)。據(jù)澎湃新聞了解，去年開始，中科院上海應(yīng)物所團(tuán)隊(duì)已著手開展下一階段10MWe釷基熔鹽研究堆的設(shè)計(jì)，2026年，這座緊鄰實(shí)驗(yàn)堆、具有工程中試意義的大科學(xué)裝置將啟動(dòng)建設(shè)。在此基礎(chǔ)上，有望在2035年左右實(shí)現(xiàn)更高功率、更高能級(jí)的百兆瓦級(jí)示范堆的建成和并網(wǎng)發(fā)電，最終推動(dòng)商業(yè)化應(yīng)用。知情人士介紹，該項(xiàng)目正在申請(qǐng)國(guó)家重大科技任務(wù)，示范堆的最終選址尚待確定。

釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆堆廠房大廳 中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 圖

上世紀(jì)被擱置的技術(shù)路線，為何重?zé)ㄉ鷻C(jī)？

目前，世界上大多數(shù)核電廠都使用加壓輕水反應(yīng)堆（壓水堆），使用普通水作冷卻劑和慢化劑。該技術(shù)路線在高壓下將水泵至堆芯，原子核裂變釋放的能量將水加熱，然后以蒸汽形式釋放出來(lái)，從而驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。

釷基熔鹽堆是第四代核能系統(tǒng)的六種候選堆型之一。近年來(lái)多國(guó)對(duì)此的興趣與日俱增，熔鹽堆有潛力提供大量高效、低成本的電力，同時(shí)產(chǎn)生可用于各種工業(yè)應(yīng)用的高溫工藝熱：用鹽替代水作為主冷卻劑，可以在大氣壓力下吸收大量熱能，從而使反應(yīng)堆在非常高的溫度下運(yùn)行。這可以生產(chǎn)高品位熱能，為鋼鐵、制氫等工業(yè)流程的脫碳提供更多可能性。熔鹽堆與生俱來(lái)固有安全、無(wú)水冷卻、常壓工作和高溫輸出等優(yōu)點(diǎn)，被國(guó)際公認(rèn)為最適配釷資源核能利用的堆型。

據(jù)澎湃新聞梳理，我國(guó)已查明的釷工業(yè)儲(chǔ)量約28萬(wàn)噸。初步估算若能實(shí)現(xiàn)釷基核燃料的完全循環(huán)利用，可供使用幾千年以上，將確保國(guó)內(nèi)能源的自給自足。這一技術(shù)路線不僅契合我國(guó)釷資源豐富的資源稟賦，還可與太陽(yáng)能、風(fēng)能、高溫熔鹽儲(chǔ)能、高溫制氫、煤氣油化工等產(chǎn)業(yè)深度融合，構(gòu)建多能互補(bǔ)低碳復(fù)合能源系統(tǒng)，為我國(guó)能源安全提供全新解決方案。釷基熔鹽堆的研發(fā)，不僅為我國(guó)未來(lái)釷資源的規(guī)模化開發(fā)利用、發(fā)展第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)提供核心技術(shù)支撐與可行方案，地球上釷資源總儲(chǔ)量是鈾資源的3~4倍，釷基核燃料的有效利用對(duì)于人類發(fā)展也有著巨大的價(jià)值。

此外，基于釷鈾循環(huán)的熔鹽堆可同時(shí)滿足物理防核擴(kuò)散、核廢料最小化等特點(diǎn)。鈾裂變會(huì)產(chǎn)生很多半衰期較長(zhǎng)的超鈾元素，釷反應(yīng)堆能比鈾燃料反應(yīng)堆產(chǎn)生更少的長(zhǎng)壽命核廢物。由于采用無(wú)水冷卻，釷基熔鹽堆只需少量的水即可運(yùn)行，無(wú)需建在沿海，適用于干旱地區(qū)。

但在成為國(guó)際先進(jìn)核能研發(fā)熱點(diǎn)之前，熔鹽堆技術(shù)沉寂已久。

熔鹽堆研發(fā)始于20世紀(jì)40年代末的美國(guó)，主要目的是美國(guó)空軍為轟炸機(jī)尋求航空核動(dòng)力。得益于氟化熔鹽冷卻劑的高熱容、高熱導(dǎo)、高沸點(diǎn)以及低蒸汽壓等特點(diǎn)，熔鹽堆在本征安全性以及經(jīng)濟(jì)性上具有極大的優(yōu)勢(shì)和潛力。1954年，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室建成第一個(gè)熔鹽堆實(shí)驗(yàn)裝置ARE，功率為2.5MW。戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈的迅速發(fā)展使核動(dòng)力轟炸機(jī)的研發(fā)失去了軍事應(yīng)用價(jià)值，因此熔鹽堆的研發(fā)于20世紀(jì)60年代轉(zhuǎn)向民用。

橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在1965年建成液態(tài)燃料熔鹽實(shí)驗(yàn)堆，這是迄今世界上唯一建成并運(yùn)行的液態(tài)燃料反應(yīng)堆，也是唯一成功實(shí)現(xiàn)釷基核燃料（鈾-233） 運(yùn)行的反應(yīng)堆。但由于彼時(shí)“冷戰(zhàn)”的考慮，側(cè)重于民用的熔鹽堆計(jì)劃下馬，美國(guó)熔鹽堆研發(fā)中止。

“美國(guó)放棄釷基熔鹽堆是出于冷戰(zhàn)時(shí)期的戰(zhàn)略選擇。當(dāng)時(shí)技術(shù)路線的競(jìng)爭(zhēng)主要在釷基熔鹽堆和钚基快堆之間，后者更易于生產(chǎn)武器用的核材料，因此獲得了優(yōu)先發(fā)展。”上海應(yīng)物所副所長(zhǎng)蔡翔舟接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪介紹這段歷史時(shí)表示，“氫彈之父”愛德華?泰勒生前曾將美國(guó)的這個(gè)選擇評(píng)價(jià)為“一個(gè)可以原諒的錯(cuò)誤”。此外，當(dāng)時(shí)全球勘探發(fā)現(xiàn)的鈾資源豐富，石油供應(yīng)也充足，對(duì)開發(fā)釷資源缺乏緊迫性。直到21世紀(jì)，出于可持續(xù)發(fā)展和核廢料管理等考慮，釷基熔鹽堆技術(shù)才重新受到全球關(guān)注。

早在上世紀(jì)60年代末，中國(guó)科學(xué)院就提出釷基熔鹽堆的相關(guān)想法。到了1970年，中國(guó)曾選擇釷基熔鹽堆作為發(fā)展民用核能的起點(diǎn)。1971年，上海應(yīng)物所建成了熔鹽（冷態(tài)）零功率堆。但限于當(dāng)時(shí)國(guó)家整體科技、工業(yè)和經(jīng)濟(jì)水平無(wú)法支撐如此超前的技術(shù)，后轉(zhuǎn)為技術(shù)相對(duì)成熟的壓水堆，也就是秦山核電站。

“重新啟動(dòng)釷基熔鹽堆的技術(shù)路線，主要基于國(guó)家戰(zhàn)略需求。”上海應(yīng)物所所長(zhǎng)、釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)負(fù)責(zé)人戴志敏表示，我國(guó)釷資源豐富，釷儲(chǔ)量遠(yuǎn)高于鈾儲(chǔ)量，且與稀土資源伴生，高效利用釷資源可保障國(guó)家能源安全長(zhǎng)達(dá)千年以上。研發(fā)釷基熔鹽堆、實(shí)現(xiàn)釷資源的工業(yè)應(yīng)用，可以在戰(zhàn)略上確保我國(guó)實(shí)現(xiàn)能源獨(dú)立。

2011年，中科院圍繞國(guó)家能源安全與可持續(xù)發(fā)展需求，啟動(dòng)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“未來(lái)先進(jìn)核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（TMSR）”，計(jì)劃用20年左右的時(shí)間，在國(guó)際上首先實(shí)現(xiàn)釷基熔鹽堆的應(yīng)用，同時(shí)建立釷基熔鹽堆產(chǎn)業(yè)鏈和相應(yīng)的科技隊(duì)伍。2017年4月，甘肅省武威市與中科院簽訂了在該市民勤縣建設(shè)釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)項(xiàng)目的戰(zhàn)略合作框架協(xié)議，該項(xiàng)目分兩期建設(shè)，總投資220億元。2018年9月，該項(xiàng)目開工建設(shè)。

2023年10月11日11點(diǎn)08分，2MWt液態(tài)燃料釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆首次實(shí)現(xiàn)臨界反應(yīng)；2024年6月17日10點(diǎn)12分，首次達(dá)到滿功率運(yùn)行；2024年10月，完成世界上首次熔鹽堆加釷實(shí)驗(yàn)，成為目前世界上唯一運(yùn)行的釷基熔鹽堆（綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)）。

比核聚變更近的終極能源？

按照中科院多年前的規(guī)劃，目標(biāo)到2030年左右全面實(shí)現(xiàn)掌握釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)的相關(guān)科學(xué)與技術(shù)，基本完成工業(yè)示范堆建設(shè)和基于釷基熔鹽堆的低碳新能源示范裝置建設(shè)，開展熔鹽堆的商業(yè)化推廣；到2040年左右建成首座百噸級(jí)釷基乏燃料鹽干法批處理示范裝置和在線部分分離固態(tài)裂變產(chǎn)物示范裝置，基本實(shí)現(xiàn)釷鈾燃料循環(huán)。

參照當(dāng)前進(jìn)展，雖有數(shù)年遲滯，但中國(guó)仍是釷基熔鹽堆技術(shù)商業(yè)化的引領(lǐng)者。

有資深行業(yè)人士對(duì)澎湃新聞表示，基于當(dāng)前的技術(shù)進(jìn)展，釷基熔鹽堆的實(shí)現(xiàn)難度和技術(shù)瓶頸都比所有人心目中的終極能源——核聚變要小很多。盡管全球科學(xué)家已投入數(shù)十年研究，可控核聚變發(fā)電的商業(yè)化應(yīng)用可能仍需等到2050年前后。

以新一代人造太陽(yáng)“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”（HL-3）為例，知情人士向澎湃新聞介紹，環(huán)流三號(hào)預(yù)計(jì)在2027年開展中國(guó)首次氘氚實(shí)驗(yàn)。2035年左右，目標(biāo)建成中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆，用以全面系統(tǒng)展示科學(xué)可行性，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化。2045年左右，有望建成功率大幅提升的首個(gè)商用示范堆，全面驗(yàn)證工程可行性，可長(zhǎng)時(shí)并網(wǎng)發(fā)電，并為后續(xù)規(guī)模化部署商用堆打下基礎(chǔ)。

釷資源作為鈾替代品的吸引力在增加，但釷在核能中的長(zhǎng)期潛力，仍面臨經(jīng)濟(jì)和技術(shù)挑戰(zhàn)。

國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)鈾資源專家Mark Mihalasky認(rèn)為，作為稀土元素的一個(gè)主要來(lái)源的獨(dú)居石礦是釷的一個(gè)主要來(lái)源。如果不是目前對(duì)稀土元素的需求，不會(huì)單單為了釷含量而開采獨(dú)居石。釷是一種副產(chǎn)品，提取釷需要的方法比提取鈾的成本要高。就目前情況而言，能夠以具有成本效益的方式從地下挖出的釷的數(shù)量并不像鈾那樣多。但如果對(duì)釷及其在核能中的應(yīng)用有更高的需求，這種情況可能會(huì)改變。 

同樣昂貴的是釷動(dòng)力核裝置的研究、開發(fā)和測(cè)試。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)燃料工程和燃料循環(huán)設(shè)施技術(shù)負(fù)責(zé)人Anzhelika Khaperskaia稱，釷的另一個(gè)障礙是它可能難以處理。作為一種能增殖但非易裂變材料，釷需要一個(gè)激勵(lì)物，如鈾或钚，來(lái)觸發(fā)和維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 

中科院表示，近百家國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)、高等院校和產(chǎn)業(yè)集團(tuán)深度參與了釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆研發(fā)與工程建設(shè)，攻克了設(shè)計(jì)、關(guān)鍵材料與設(shè)備研制、安裝與調(diào)試及堆安全等方面的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了核心材料、裝備與技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)到實(shí)驗(yàn)堆工程驗(yàn)證的跨越，實(shí)驗(yàn)堆整體國(guó)產(chǎn)化率>90%，關(guān)鍵核心設(shè)備100%國(guó)產(chǎn)化，供應(yīng)鏈自主可控，釷基熔鹽堆相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈的雛形在我國(guó)已經(jīng)基本形成。

蔡翔舟對(duì)此介紹稱，中科院團(tuán)隊(duì)在釷基熔鹽堆特有的關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了全面突破，包括耐高溫抗腐蝕的特殊合金材料制備、熔鹽循環(huán)下的腐蝕控制技術(shù)、燃料在線分離與處理技術(shù)，以及主泵、換熱器等關(guān)鍵裝備的自主研制。

值得注意的是，2023年12月，中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司旗下江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司正式發(fā)布全球首型、世界最大24000箱核動(dòng)力集裝箱船船型。據(jù)介紹，該型船采用國(guó)際上先進(jìn)的第四代堆型熔鹽反應(yīng)堆解決方案，安全性高、反應(yīng)堆高溫低壓運(yùn)行，在原理上規(guī)避堆芯融化，具備防擴(kuò)散與固有安全特征。

該船型無(wú)需耐高壓容器與管路，即便發(fā)生破口事故，在環(huán)境溫度下迅速凝固，事故后除正常停堆手段外還可以把熔料鹽排出堆外，實(shí)現(xiàn)快速停堆、防止事故擴(kuò)展。根據(jù)江南造船披露的細(xì)節(jié)，該船型相對(duì)于傳統(tǒng)船型動(dòng)力系統(tǒng)布置更為緊湊，可提供更多箱位；取消了傳統(tǒng)煙囪機(jī)艙棚，采用首房艙方案，核電艙位于舯部。

除了科研主體之外，發(fā)電巨頭已加入推動(dòng)釷基熔鹽堆的工業(yè)化進(jìn)程。戴志敏在受訪時(shí)透露，上海應(yīng)物所正在就此與國(guó)家電投等央企深度合作。