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重铸美国橡树岭核梦想：熔盐堆卷“钍”重来，40年来的首次实验或开启第二核纪元

百家作者：DeepTech深科技 2017-09-11 08:57:33

最近，关于“核”有两件截然不同的大事，一个让人头疼，另一个给人希望。

让人头疼的自然是9 月 3 日发生在朝鲜的 6.3 级“核地震”。经过确认之后，此次是朝鲜在其丰溪里核试验基地进行了一场氢弹地下核爆实验，这次实验让周边地区再度陷入紧张。

给人希望的则是，自1976 年之后，中断了 40 年的熔盐堆研究终于迎来首次实验：荷兰核研究及顾问公司（Nuclear Research and Consultancy Group，NRG）于近日进行了钍基熔盐反应堆实验。

在这次试验中，荷兰核研究及顾问公司使用了一种名为“熔盐快速反应器”的设备来燃烧钍盐，理论上还可以消耗目前的铀裂变反应炉产生的核废料，将其增殖为新燃料。基于这次测试，研究人员希望可以开发出更稳定、能扩展规模的钍盐反应炉。

此外，荷兰核研究及顾问公司还联合欧盟共同发起了熔盐堆实验工程（SALIENT）。团队很快就通过实验以验证钍基核燃料能否会增殖并发生裂变，以及钍基熔盐堆能否达到反应堆临界。如果实验顺利，那么“钍基俱乐部”将再现活力。

今天，我们要分享的就是，“钍”和“熔盐堆”——这对核能发电领域的黄金搭档如何在经历了起伏演进之后，迎来了发展的春天。

明明更安全，但熔盐堆却曾被“打入冷宫”

与其他类型的反应堆相比，熔盐堆的优点一度非常突出。

我们都知道，核能发电的基本原理简单易懂，那就是靠核反应产生热能，加热“水”后用蒸汽推动发电机发电。相比于传统的化石燃料发电，核燃料的能量密度高是煤的几百万倍、污染极低，且实现了二氧化碳零排放。

但是，这种优秀的能源却始终让一部分人觉得恐慌，原因无外乎二：

首先是核废料，由于需要浓缩且燃耗极低，传统的铀基热核反应堆中超过95%的燃料将变成核废料，而因为含有超铀元素，其放射毒性周期将长达数万年，甚至更久。在这一方面，钍基反应堆的优势巨大，由于不需要浓缩，最终的废料不到铀的一半，而放射毒性周期则小于两百年，因此在核废料的处理难度上，将有着质的下降。

第二个原因就是事故。其中最为著名的便是1986年的切尔诺贝利核事故以及2011年的日本福岛事故。由于高剂量电离辐射无色无味无臭，且杀人于无形的性质，再加上部分放射性元素的超长半衰期，尽管1984年印度波帕尔化学工厂事故造成的人员伤亡较之切尔诺贝利有过之而无不及（死亡约15000人，数十万人健康受到影响），三十多年过去了，大多数人能记得，就只有这一次，也是唯一一次造成重大人员伤亡的核事故。

图丨核电站事故

然而，熔盐堆在安全性方面的优势就体现出来了：

由于熔盐既是燃料又是冷却剂，因此具有天然的负反馈功能。当反应堆温度过高时，进一步的链式反应能够停止。

熔盐堆无需加压，由于本身液态，没有堆芯熔毁的风险。

相较于目前绝大多数的轻水堆发电站，熔盐堆由于不需要大量的水作为慢化剂，选址更为自由，甚至可以考虑到放在地下以更大程度减低泄漏事故造成的损害。

看到这里，你一定好奇，既然熔盐堆优点这么多，为什么一直没有火起来？

图丨飞行器核动力引擎

对熔盐堆的集中研究起始于美国飞行器反应堆实验（US Aircraft Reactor Experiment，ARE）。1946年，由美国空军主导ARE的项目，希望研究出“永不疲倦的铁鸟”——核动力轰炸机。

但最终，美军还是意识到核动力飞行器可行性太低，而且洲际导弹的迅速发展让核动力轰炸机失去了军事价值。1961年核动力飞行器项目终止，熔盐堆也失去了强有力的靠山。熔盐堆虽然遭到军方放逐，但在民用上依然有诱人前景。橡树岭实验室在1965年以ARE为基础，建成了钍基熔盐实验堆（MSR），这个反应堆运行了5年。

然而，就在熔盐堆进入了成熟发展期的70年代初，美国原子能委员会（AEC）突然削减熔盐堆的研发经费。其中的原因与当时的冷战局势息息相关。

当时正值冷战高潮，发展核武器的重要性远远大于发展民用核能，在核能研究规模整体收缩的背景下，适合生产核武原料钚的快中子增殖堆占据了稳固的政治地位。而熔盐堆技术又与主流反应堆技术鲜有相似之处，最终，性能好、设计巧、侧重于民用但“政治不正确”的熔盐堆被打入冷宫。

那个时期，风头正劲的是压水堆。压水堆备受青睐并非由于水本身有什么特别优越的性能，只不过是因为被誉为“核动力海军之父”的海曼·里科弗（Admiral Hyman Rickover）当时选择了以铀-235为燃料的压水堆作为“鹦鹉螺”号核潜艇的动力装置。而一旦压水堆技术站稳脚跟，政府就不愿意再耗费多余的财力研究其它堆型了。

于是，1976年，熔盐堆计划被尼克松政府叫停。这一停就是40多年。此后，除科学家在印度卡帕坎建设一个测试用的反应炉外，熔盐堆的相关研究也渐渐沉寂。

因历史原因惜败铀的钍燃料

而熔盐堆的好搭档——钍燃料被冷落的原因则稍微复杂一些，但归根结底，就是在和铀燃料的竞争中，失败了，而且败的有点冤。

从核燃料来看，目前地球上具有商业价值的易裂变元素有3种：铀-235、铀-233和钚-239。易裂变元素能够通过吸收中子（主要是能量较低的热中子）以开始链式反应。

自然界存在的易裂变元素只有铀-235，钍-232和铀-238则需要吸收快中子进行增殖后，才能进行裂变。

图丨铀矿

本来，钍相较于铀来说，具有很多优势。首先是储量上的碾压，地球上已探明的钍资源的储量至少是铀的3到4倍。以目前的用电量来估算，现有的钍资源至少可以支持全球一千年的用电量。我国目前已知的钍矿就超过28万吨。

其次，铀裂变会产生很多半衰期较长的超铀元素，如钚（Pu）、镅（Am）、镎（Np）、锔（Cm）等。这些核废料的处理一直是个棘手的问题。钍铀燃料循环产生的钚和长寿命次锕系核素要少得多。

图丨钍矿

此外，钍及其氧化物具有耐辐射、耐高温、导热系数高等特性，这样反应堆就能在更高温度下运行，获得较深的燃耗，即产生更少的核废料。

最后还有一点，这既是钍的优点也是它的“缺点”：钍不适用于制造核武器，是理想的民用核燃料，有助于防止核扩散。不幸的是，也就是因为这一点，导致了钍在与铀的核燃料之争中“全面落败”。“无法/难以制作核武器”成为了钍基燃料被冷落的历史原因。

再加上比如钍-232增殖来的铀-233虽然是一种极好的裂变材料，但同时具有比铀-235高得多的辐射性，会增加燃料棒的制作难度等技术原因，导致了钍燃料在“冷宫”中一呆就是半个世纪。

卷“钍”重来

转机出现在21世纪初。

当时，美国能源部牵头发起第四代反应堆国际论坛（Generation IV International Forum，GIF），对反应堆提出了更高的经济性、安全性、核废料最小化和防扩散性要求，并筛选出了 6种最有希望的第四代候选堆型：熔盐堆（MSR）、超高温堆（VHTR）、超临界水冷堆（SCWR）、气冷快堆（GFR）、铅冷快堆（LFR）和钠冷快堆（SFR）。第四代反应堆系统不仅包括反应堆技术的研究，对核燃料的前处理和后处理也同样重视，其目标是在 2030 年开发出一种或若干种革新性核能系统。

上世纪 50 年代至今，核能系统的发展已经历经4代。第一代反应堆是 1950 年代中至 1960 年代出建造的原型反应堆。第二代反应堆是 1970 年代，为了应对能源危机、减少对石油的依赖而专门建造的商用堆。目前多数核电站都是第二代反应堆。1979年美国三哩岛核事故核1986年的乌克兰切尔诺贝利核事故为核电安全敲响警钟。为了增加反应堆的固有安全性，设计了更加先进的第三代轻水反应堆。

图丨福岛现场

在四代堆的6种堆型中，熔盐堆是唯一的液态燃料反应堆，因此不存在堆芯熔毁问题（日本福岛核事故与此有关，尽管设计上的严重失误是罪魁祸首），在紧急状态下液态燃料可以排放到底部的储存罐内。

此外，熔盐可以既作为冷却剂也作为燃料，因此不需要制作燃料组件，故而可实现在线加料以及在线后处理，便于监控和管理。另外由于熔盐的比热容较加压水高，可以使反应堆回路设计得更紧凑。

由于熔盐堆无需固体燃料，很多科研团队又重新将目光投向了钍基熔盐堆，事实上，这样的组合不仅可行，而且效果可能还非常不错：

首先从反应本身来看，钍基熔盐堆可以形成闭式燃料循环：一方面钍-232可以增殖为铀-233为反应堆补充燃料，另一方面裂变产物在分离器中可以分离出可利用的燃料并除去有毒的嬗变元素，然后在重新添加到熔盐燃料中。

其次在材料上，不锈钢在熔融的氟化铀与氟化钍中是稳定的，具有很好的相容性。这两种氟化盐在熔融状态下具有很低的蒸汽压力，传热学性和化学稳定性很好，因此反应堆结构所受的机械应力较小。

更重要的一点是，熔盐堆在40年前就成功运行了5年，积累了很多经验。相比于其它一些先进堆型，熔盐堆又获得了历史积累上的优势。

而从原理上分析，钍基熔盐堆的实现难度和技术瓶颈都比所有人心目中的终极能源——核聚变要小很多。如果这个技术进入成熟期，那么至少在未来数百年里，人类将无需再为能源问题担忧。

尽管目前离开这个成熟期还相当距离，但是荷兰突破长达 40 年的空窗期，成功使用钍盐进行核裂变测试，让人类朝这个目标又迈出了扎实的一步。

而荷兰的这次最新实验其实并不是熔盐堆“复兴”的起点。从本世纪初开始，世界范围内爆发出熔盐堆研究的新气象，美国、法国、俄罗斯、日本、韩国、中国等国家纷纷开启示了熔盐堆研究计划。

熔盐堆再次得到关注，正是因为新世纪对于核能要求观念的转变，防核扩散成为民用核能发展的主要制约问题，而钍基熔盐堆不能用于生产钚的特点成为了一大优点。

中国科学家们也正在加紧钍基熔盐堆的研究步伐。目前，美国橡树岭国家实验室与中国核电正在上海合作研究钍基熔盐堆，并有望于2035年建成100MW液态燃料钍基熔盐示范堆。

我们正在见证，美国橡树岭科学家们半个世纪前的梦想正得以重铸。

开启“第二核纪元”？

1942年，费米在芝加哥大学首次实现人工链式核反应，开启了核能发展的序幕。

美国核动力奠基人艾尔文·温伯格（A.M.Weinberg）就在《第一核纪元》中写道，在核能发展初期，反应堆的形成存在各种可能性：燃料有铀-233，铀-235，钚-239；冷却剂有轻水，重水，气体，液态金属；慢化剂有轻水，重水，铍，石墨。钍资源的“先天优势”似乎更能物尽其用，造福人类。但放眼望去，如今的核能帝国是以铀为燃料的轻水堆的“天下”。