钍核反应堆的进展（我国钍熔盐核反应堆试运行）

钍核反应堆的进展（我国钍熔盐核反应堆试运行）钍基熔盐核反应堆发电技术，是比以往的核反应堆技术，安全得多的核能发电技术，它基本不会出现高温烧毁堆芯的情况。钍基熔盐核反应堆的不同寻常之处在于，内部循环的是熔融盐，而不是水，它可以在高温下工作时保持低蒸气压，从而降低机械应力，提高安全性。福岛核电站的安全壳，就是因为失控的核反应物质超临界的温度，产生大量的水蒸气和氢气混合氧气后产生爆炸而损毁，释放了大量的带辐射水蒸气和放射性物质。切尔诺贝利和福岛核电站，这两座反应堆都是采用铀作为反应堆燃料，石墨和水等材料做慢化剂控制反应堆的临界状态，发生事故的原因都是因为无法控制核燃料的临界状态，产生高温融毁堆芯，从而造成无可挽回的事故。为了提高核反应堆的原材料利用效率，可以采用增殖核反应堆技术，在核反应堆中通过反应过程中产生的快中子轰击，可将一部分铀-238转变为钚-239，钚-239也是一种可以用于裂变反应的核燃料，这样可以使核燃料利用率进一步提高。同

今年九月份我国政府宣布，在西部沙漠中，已经完成了首座钍燃料熔盐核反应堆的建设，并计划在接下来的时间，会对这座现代化的第四代技术核反应堆，进行技术性的探索、测试和验证。

那么这座钍燃料熔盐核反应堆到底有什么重要意义？

目前，全球都在努力达到碳减排和碳中和的目标，除了推广太阳能、风能、潮汐能和水力发电等清洁能源，核能利用也是一个很好的途径。可控核能主要指核裂变反应堆，成熟的核反应堆工作原理，是利用放射性元素，裂变反应产生的能量来发电或产生动力。自然界存在的可裂变元素只有铀-235，而它只占天然铀中的0.7%，其余均为铀-238。为了得到可以维持裂变反应浓度的核反应物质，必须不断提纯自然铀矿中的铀，以达到核反应必须的浓度。

但我们国家是一个铀矿储量并不丰富的国家，普及使用核能所需的核燃料，必须得补充大量进口铀矿资源，这显然对我国的能源安全不利。

为了提高核反应堆的原材料利用效率，可以采用增殖核反应堆技术，在核反应堆中通过反应过程中产生的快中子轰击，可将一部分铀-238转变为钚-239，钚-239也是一种可以用于裂变反应的核燃料，这样可以使核燃料利用率进一步提高。同样，增殖核反应堆技术也可以将自然界中大量存在的钍-232，通过核反应堆增殖反应转变为可裂变的铀-233，通过铀-233产生可持续的裂变反应，这就是钍反应堆的工作原理。

首先，从核燃料成本上来说，我国是钍元素矿产储藏量丰富的大国，相对铀燃料可取成本低廉。地球地层中钍的储量较高，远高于铀和钚等元素，如我国储量很大的稀土矿和萤石矿中就含有钍元素，矿产来源要容易得多，我国目前已探明的钍蕴藏量在30万吨以上，如果用它来发电，按照目前的电能消耗来算，中国钍的储量能够保证未来许多个世纪的发电供应，大致可以使用两万年。位于悉尼的澳大利亚核科学技术组织的核工程师林登·爱德华兹表示：“钍比铀储量丰富得多，因此，在50年或100年后，当铀储量开始减少时，钍将非常具有潜力。”

但核电站反应堆不仅仅只是考虑经济性，对安全性要求更高，特别是在前苏联切尔诺贝利核电站和日本福岛核电站核事故之后，公众一直对既有的核发电技术抱有安全疑虑，各种反对核电站的示威此起彼伏，大家对核电站安全性的关切更放在第一位。

切尔诺贝利和福岛核电站，这两座反应堆都是采用铀作为反应堆燃料，石墨和水等材料做慢化剂控制反应堆的临界状态，发生事故的原因都是因为无法控制核燃料的临界状态，产生高温融毁堆芯，从而造成无可挽回的事故。

钍基熔盐核反应堆发电技术，是比以往的核反应堆技术，安全得多的核能发电技术，它基本不会出现高温烧毁堆芯的情况。钍基熔盐核反应堆的不同寻常之处在于，内部循环的是熔融盐，而不是水，它可以在高温下工作时保持低蒸气压，从而降低机械应力，提高安全性。福岛核电站的安全壳，就是因为失控的核反应物质超临界的温度，产生大量的水蒸气和氢气混合氧气后产生爆炸而损毁，释放了大量的带辐射水蒸气和放射性物质。

钍熔盐核反应堆燃料和热量循环工质均在管道中的熔盐中，熔盐必须通过快中子辐射区才能维持裂变反应，超过正常温度时，安全装置底部的冷冻塞就会自动熔化，携带核燃料的熔盐将全部流入应急储存罐中，不经过快中子辐射，核反应也就随即终止，之后反应堆就会迅速降温。 而作为燃料和冷却工质的熔融盐在冷却后凝固，基本不会泄露和污染环境。

并且，钍基熔盐核反应堆可在反应堆运行过程中，对核燃料进行在线处理和在线添加，不需要制作燃料棒，简化了工作流程。

因为采用增值反应，大部分的反应原料都被转变为可用的燃料，正常情况下钍基熔盐核反应堆产生的核废料也很少，剩余的核废料不到铀和钚核反应堆的千分之一， 而且剩余核废料的半衰期比较短，因此其危害可从几万年降低到几百年。所以钍基熔盐核反应堆被看作是未来核能发电领域最安全的反应堆技术之一。

因为核燃料是溶解于氟盐中的钍铀混合物，氟盐的熔点为550℃，沸点是1400℃，其工作环境可以实现常压高温（700℃）， 熔融状态的燃料流入堆芯，经过快中子轰击后达到临界值，产生连锁裂变反应发热，热量被熔融状态的熔盐带走，流出堆芯后重返亚临界状态释放热量做功，并准备再次循环进入堆芯，这样可以做到循环使用，由于氟盐热容量高，因此熔盐核反应堆比先前的核电技术更高效率的热能，热电转换效率更高，出口温度高于常规的重水堆、压水堆、沸水堆，其采用布雷顿热循环，热点转换效率可达到45%-50%，高于目前主流反应堆朗肯循环（33%），可利用热量更大。

当然钍基熔盐核反应堆，也有需要解决的问题，比如说熔盐核反应堆容器、管道高温、高放射性环境长期使用下，材料的安全性，这些也是我国现在正在研发突破的关键技术。

可见，作为国际上正在发展的第四代反应堆技术，钍基熔盐堆具有突出的安全性和可开发性，在这方面的研究我国已经“处于国际引领地位”， 甘肃武威钍基反应堆此次试验意义重大，若能成功运行将代表着我国在这项技术上率先取得突破，我国在核能发电原材料上基本上就能摆脱对国外的依赖。

另外钍基熔盐核反应堆如果采用熔盐燃料核反应堆模式，将对核电站用水资源的要求进一步降低，满足在沙漠和水不易得的环境发电要求，并容易实现核反应堆的小型化。上面讲了钍基熔盐核反应堆冷却剂是复合型氟化盐，不像铀和钚反应堆那样需要消耗大量的水资源，所以环境兼容性较大，特别是可以小型化核电站装置，如果结合使用正在研发中的二氧化碳临界工质涡轮发电机或者斯特林发动机，在缺水的地方建造和运行发电站就完全不是问题。

甚至有人猜想，是否可以将钍反应堆小型化，安装到汽车上，实现一生只加一次燃料的核动力汽车的愿景。那么钍基熔盐核反应堆，能不能成为新能源汽车动力，实现一次性添加燃料使用终身的能源？

从能量密度来说，这并不是一个问题。但目前利用核能的途径，主要是核能裂变反应产生热量推动发电或做功，目前的技术条件下，这还需要有一个临界体积和重量，暂时还无法直接应用于家庭汽车。

而应用于特殊用途的核电池，比如火星救援中宇航员马克·沃特尼使用的核电池，则主要是用核衰变辐射产生的热量，利温差发电方式变换出电能，这种方式成本高、效率比较低。在使用过程中会产生大量的热量和辐射，必须用很厚重的铅保护壳。这种核电池好处是，能在核材料半衰期内，长达几年或几十年时间，产生持续的电力输出，但目前温差发电核电池的输出的功率，并不足以直接驱动汽车，仅能应用于卫星和太空探索等，对成本不敏感的，需要长时间供应持续电力的环境。

目前，也有利用放射性元素材料的放射线，在半导体PN结上直接产生空穴电子对，产生电流的辐射福特效应核电池，因为很难制作成较大电流和体积，所以大部分的运用，都在不方便长期外部供电的，微电路和微型机器人驱动环境，比如纳米机器人和人工心脏起搏器。

所以，目前将核反应堆应用于汽车的驱动，还仅仅是一个需要长久努力的方向。

虽然如此，但钍基熔盐核反应堆技术成熟后，有希望小型化，用于舰船、海岛、沙漠，甚至将来用于外太空或月球、火星，都是值得期待的！

参考资料：

《前瞻网》9月14日的文章《世界首个！钍燃料核反应堆将在甘肃武威试运行 生产更安全、廉价的核能》