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，鞏固了我國在國際熔鹽堆研究領(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，形成流動的燃料熔鹽。當(dāng)堆芯發(fā)生核反應(yīng)時(shí)，釷-232會吸收中子，最終轉(zhuǎn)換為裂變材料鈾-233，并持續(xù)燃燒。

對鈾資源自然稟賦不佳、但釷資源豐富的中國而言，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、更高能級的百兆瓦級示范堆的建成和并網(wǎng)發(fā)電，最終推動商業(yè)化應(yīng)用。知情人士介紹，該項(xiàng)目正在申請國家重大科技任務(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，從而驅(qū)動渦輪機(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。近年來多國對此的興趣與日俱增，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。熔鹽堆與生俱來固有安全、無水冷卻、常壓工作和高溫輸出等優(yōu)點(diǎn)，被國際公認(rèn)為最適配釷資源核能利用的堆型。

據(jù)澎湃新聞梳理，我國已查明的釷工業(yè)儲量約28萬噸。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，將確保國內(nèi)能源的自給自足。這一技術(shù)路線不僅契合我國釷資源豐富的資源稟賦，還可與太陽能、風(fēng)能、高溫熔鹽儲能、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)，不僅為我國未來釷資源的規(guī)?；_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，地球上釷資源總儲量是鈾資源的3~4倍，釷基核燃料的有效利用對于人類發(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)。鈾裂變會產(chǎn)生很多半衰期較長的超鈾元素，釷反應(yīng)堆能比鈾燃料反應(yīng)堆產(chǎn)生更少的長壽命核廢物。由于采用無水冷卻，釷基熔鹽堆只需少量的水即可運(yùn)行，無需建在沿海，適用于干旱地區(qū)。

但在成為國際先進(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，主要目的是美國空軍為轟炸機(jī)尋求航空核動力。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)勢和潛力。1954年，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室建成第一個熔鹽堆實(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，美國熔鹽堆研發(fā)中止。

“美國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)路線的競爭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?！鄙虾?yīng)物所副所長蔡翔舟接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪介紹這段歷史時(shí)表示，“氫彈之父”愛德華?泰勒生前曾將美國的這個選擇評價(jià)為“一個可以原諒的錯誤”。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，中國科學(xué)院就提出釷基熔鹽堆的相關(guān)想法。到了1970年，中國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)國家整體科技、工業(yè)和經(jīng)濟(jì)水平無法支撐如此超前的技術(shù)，后轉(zhuǎn)為技術(shù)相對成熟的壓水堆，也就是秦山核電站。

“重新啟動釷基熔鹽堆的技術(shù)路線，主要基于國家戰(zhàn)略需求?！鄙虾?yīng)物所所長、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，我國釷資源豐富，釷儲量遠(yuǎn)高于鈾儲量，且與稀土資源伴生，高效利用釷資源可保障國家能源安全長達(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)略上確保我國實(shí)現(xiàn)能源獨(dú)立。

2011年，中科院圍繞國家能源安全與可持續(xù)發(fā)展需求，啟動戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“未來先進(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）。

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“中國環(huán)流三號”（HL-3）為例，知情人士向澎湃新聞介紹，環(huán)流三號預(yù)計(jì)在2027年開展中國首次氘氚實(shí)驗(yàn)。2035年左右，目標(biāo)建成中國聚變工程實(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商用示范堆，全面驗(yàn)證工程可行性，可長時(shí)并網(wǎng)發(fā)電，并為后續(xù)規(guī)?；渴鹕逃枚汛蛳禄A(chǔ)。

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

國際原子能機(jī)構(gòu)鈾資源專家Mark Mihalasky認(rèn)為，作為稀土元素的一個主要來源的獨(dú)居石礦是釷的一個主要來源。如果不是目前對稀土元素的需求，不會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。但如果對釷及其在核能中的應(yīng)用有更高的需求，這種情況可能會改變。 

同樣昂貴的是釷動力核裝置的研究、開發(fā)和測試。國際原子能機(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，釷需要一個激勵物，如鈾或钚，來觸發(fā)和維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 

中科院表示，近百家國內(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)堆整體國產(chǎn)化率>90%，關(guān)鍵核心設(shè)備100%國產(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)鏈的雛形在我國已經(jīng)基本形成。

蔡翔舟對此介紹稱，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箱核動力集裝箱船船型。據(jù)介紹，該型船采用國際上先進(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)，該船型相對于傳統(tǒng)船型動力系統(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)物所正在就此與國家電投等央企深度合作。