隨著全球對清潔、可再生能源的需求日益增長，科學家們正日夜不停地尋找各種能源解決方案，以應對氣候變化和能源安全的挑戰(zhàn)。在這些解決方案中，科學家們一致認為核聚變是未來人類的終極能源，但核聚變的實現(xiàn)條件太過于“苛刻”，短時間內無法大規(guī)模推廣。針對這一現(xiàn)象，科學家提出對核反應堆進行升級，打造第四代核能系統(tǒng)，作為實現(xiàn)核聚變之前的能源解決方案。
第四代核能系統(tǒng)具有更好的安全性、更強的經濟競爭力以及核廢物量少，防止核擴散等優(yōu)點。目前國際上公認的第四代核能系統(tǒng)有六種堆型，它們分別是：氣冷快堆、鉛冷快堆、鈉冷快堆、熔鹽堆、超臨界水堆和高溫氣冷堆。每個堆型設計參數(shù)各異，但它們都有一個共同目標，助力實現(xiàn)核能更高的安全性以及可持續(xù)性；而在這些堆型中，熔鹽堆憑借高溫、常壓、無停堆在線換料、閉式燃料循環(huán)等多種優(yōu)點集一身，受到科研人員的大力關注與研究。
1、熔鹽堆—“橫空出世”到“曇花一現(xiàn)”
20世紀40年代末，冷戰(zhàn)的序幕逐漸拉開，美國空軍啟動了核能飛行器推進計劃，尋求制造無限續(xù)航的核動力飛機。為此，美國橡樹嶺國家實驗室ORNL提出了一種緊湊型的高溫核反應堆概念設計——“熔鹽堆”。
即采用U/Th的氟化物燃料，與其他氟鹽組成的熔融冷卻劑一起進行循環(huán)，利用熔鹽的常壓、高沸點、高熱容、高熱導率等特點，在固定的空間尺寸下有效提高核反應堆的運行功率，從而更好地適應飛行器對于空間尺寸的限制要求。除此之外，“熔鹽堆”還采用在線的燃料處理系統(tǒng)，在不停堆的情況下進行連續(xù)的堆芯換料和廢物處理，這對于飛行器的超長續(xù)航能力也是大有裨益�；谶@些優(yōu)勢，“熔鹽堆”自誕生之日起，便被寄予厚望。但因其戰(zhàn)略彈道導彈的迅速發(fā)展，使核動力轟炸機的研發(fā)失去了軍事應用價值, 熔鹽堆的研發(fā)逐漸轉向民用。此后，美國橡樹嶺國家實驗室進行了8 MW的液態(tài)燃料熔鹽實驗堆運行，并認為熔鹽堆具有非常獨特而優(yōu)異的民用動力堆性能，時間來到20世紀70年代，此時正是冷戰(zhàn)的高潮，美國政府認為發(fā)展核武器的重要性遠遠大于發(fā)展民用核能, 因此選擇了研發(fā)適合生產武器用钚、具有軍民兩用前景的鈉冷快堆, 放棄了更適合釷鈾燃料循環(huán)、側重于民用的熔鹽堆[1]。
美國熔鹽堆的成功和適用于釷基核燃料的特點引起我國科學界和政府的高度重視。我國科研人員在1971年進行了釷基熔鹽堆零功率冷態(tài)實驗并達到臨界, 通過開展各類臨界實驗, 驗證了熔鹽反應堆的理論計算, 取得了熔鹽靜態(tài)與動態(tài)特性、反應性及其溫度效應和核燃料增殖率等實驗結果。限于當時的科技水平、工業(yè)能力和經濟實力, 我國“728工程”轉向了輕水反應堆的研發(fā)并最終建成秦山一期核電廠, 自此在世界范圍內熔鹽堆研究的國家行為幾乎停止。
2、技術難點在哪里
熔鹽堆憑借自身中子利用率高，產生的高毒性放射性核素少，避免核擴散成為新一代的核反應堆候選堆型，但它也存在一些挑戰(zhàn)，例如：燃料制備困難；ThO2的熔點(3350℃)比UO2(2800℃)高得多,故生產制備固態(tài)釷基燃料元件所需的高密度ThO2和ThO2基混合氧化物(MOX)燃料需要更高的燒結溫度(>2 000℃)。在釷轉換鈾的過程中產生了232U,232U的衰變子核有短壽命強γ輻射的208Tl，給反應堆乏燃料的貯存、運輸、后處理、最終的安全處置和燃料的再加工帶來困難。熔鹽具有強烈的腐蝕性，同時堆內有很強的中子輻射，因此要開發(fā)一種可用于熔鹽堆的堆內結構材料，同時滿足輻射屏蔽與耐腐蝕性能。
3、熔鹽堆—“王者歸來”
針對碳達峰、碳中和這一議題，國際對熔鹽堆的熱情又再一次高。2022年12月美國ThorCon公司和法國必維國際檢驗集團（Bureau Veritas）簽署協(xié)議，將在印尼部署50萬千瓦浮動ThorCon熔鹽堆（TMSR-500）開展技術評估和后續(xù)開發(fā)合作。
2022年9月29日，英國MoltexFLEX公司推出了一種新型熔鹽堆FLEX。
2022年荷蘭Thorizon公司近期完成1250萬歐元（1240萬美元）的募資。為了推進釷基熔鹽堆研發(fā)，Thorizon未來將與法國歐安諾公司（Orano）和荷蘭核能研究與咨詢集團開展密切合作，并與鮑塞爾核電廠運營商EPZ公司探討在其現(xiàn)有核電廠址建設首座釷基熔鹽堆的可行性。
面對這一情景，中國也做出相應行動。2011年，中科院圍繞國家能源安全與可持續(xù)發(fā)展需求，部署啟動了首批中科院戰(zhàn)略性先導科技專項(A類)“未來先進核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)(TMSR)”，計劃用20年左右的時間，在國際上首先實現(xiàn)釷基熔鹽堆的應用，同時建立釷基熔鹽堆產業(yè)鏈和相應的科技隊伍。專項依托中科院上海應用物理所，上海有機所、上海高研院、長春應化所、金屬所等10家院內外科研單位參與。
2023年6月7日，國家核安全局頒布對甘肅武威的釷基熔鹽堆實驗堆運行許可證，這標志著世界唯一的釷基熔鹽堆正式運行，按照預定目標，此次運行將為下一步建造更大功率的實驗堆與示范堆提供基礎。
中國對釷基熔鹽堆的研究引起了全世界的關注，權威科學雜志自然專門為此進行了相關報告。那么中國進行實驗的釷基熔鹽堆有何特別之處？
首先，第四代核反應堆之前均使用鈾作為核燃料，在反應堆堆內一次循環(huán)后就被卸出，不在使用，這樣大大降低了鈾的利用率；釷基熔鹽堆就避免了鈾資源的浪費，它使用釷作為核燃料，利用釷的衰變生成鈾，進行釷鈾的循環(huán)利用。而且，釷資源在地殼的存儲量是鈾的三倍，若完全應用，可保證中國電力幾千年的供應。另外，我國釷資源儲存世界第二，不怕原材料被卡。我國進行的釷基熔鹽堆實驗不僅在于為下一步提升功率準備，還在于進行核能綜合利用的探索，為工業(yè)制氫，核能海水淡化提供經驗基礎。
跨越半個世紀的核能中國夢，熔鹽堆在中國科技工作者的努力下，正在從美好設想逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實。
作者：張潤杰
參考文獻
[1] 徐洪杰,戴志敏,蔡翔舟,等.釷基熔鹽堆和核能綜合利用[J].現(xiàn)代物理知識,2018.
江綿恒,徐洪杰,戴志敏.未來先進核裂變能——TMSR核能系統(tǒng)[J].中國科學院院刊,2012,27(03):366-374.